WO2016195116A2 - Liquid processing nozzle, liquid processing method using same, gas dissolution method, and gas dissolution device - Google Patents

Liquid processing nozzle, liquid processing method using same, gas dissolution method, and gas dissolution device Download PDF

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Abstract

Provided is a liquid processing nozzle that exhibits very efficient generation of microscopic bubbles and excellent gas dissolution capacity. The liquid processing nozzle 1 is provided with: a nozzle body 2 having a liquid passage 3 formed therein; and a processing core CORE comprising protrusions 10 that protrude from the inner surface of the liquid passage 3 and that have, formed in the circumferential direction and on the outer peripheral surface thereof, a plurality of alternating contiguous ridge sections 11 and valley sections 12, the valley sections 12 serving as high flow rate sections. The effective valley point density (Ne/St) normalized by the entire flow cross-sectional area (St) is maintained at at least 1.5 parts/mm2. For the protrusions 10, the effective valley point density (Ne/St), which is the number (Ne) of effective valley points normalized by the entire flow cross-sectional area (St), is maintained at at least 1.5 parts/mm2.

Description

液体処理ノズル、それを用いた液体処理方法、ガス溶解方法及びガス溶解装置Liquid processing nozzle, liquid processing method, gas dissolving method and gas dissolving apparatus using the same
 この発明は液体処理ノズル、特に、微細気泡の効率的発生やガス溶解能力に優れた液体処理ノズルに関し、また、それを用いて実現される液体処理方法、ガス溶解方法及びガス溶解装置に関するものである。 The present invention relates to a liquid processing nozzle, and more particularly to a liquid processing nozzle excellent in efficient generation of fine bubbles and gas dissolving ability, and also relates to a liquid processing method, a gas dissolving method and a gas dissolving apparatus realized using the nozzle. is there.
 近年、マイクロバブル(ファインバブル)あるいはナノバブル(ウルトラファインバブル)と称される微細気泡が多くの用途に応用され、種々の気泡発生機構が提案されている。特許文献1に開示された二相流旋回方式のものは、外気を旋回流に巻き込んで強制粉砕することにより微細化を図るものであり、気泡径が1μm未満となるナノバブルの発生効率が悪い欠点がある。一方、水の流路にベンチュリやオリフィスにより絞り孔を設け、水が高流速化して通過する際のベルヌーイの定理に由来して生ずる減圧効果により、溶存空気を微細気泡として析出させる、いわゆるキャビテーション方式による微細気泡発生機構も種々提案されている(特許文献2~10)。特に、特許文献6~10に開示された方式は、絞り孔の途中にねじ部材を配置し、そのねじ谷、あるいは対向するねじ部材間に形成されたギャップにて水流のさらなる高速化を図るものであり、キャビテーション効率を向上させてより高密度にナノバブルを発生することができる。特許文献6及び7においては、ナノ領域の気泡が高密度に得られることがレーザー回折式粒度計などを用いた気泡測定により示されている。
 また、ねじ部材で形成された衝突部を水流が通過する際に、流れ迂回に基づいて発生するカルマン渦と、キャビテーションによる減圧沸騰現象とにより水流は激しく撹拌される。そこで、水流に空気やオゾンなどのガスを混合し混相流とした状態でノズルに供給すると、ねじ部材が作る強撹拌域にガスが巻き込まれ、効率よくこれを溶解できる。また、溶存しきれなかったガス相も撹拌流で微細化し、ナノバブルの形で溶存ガスとともに共存させることができる。このようなガス溶解方式については、特許文献8及び特許文献9に開示されている。
In recent years, fine bubbles called microbubbles (fine bubbles) or nanobubbles (ultra fine bubbles) have been applied to many applications, and various bubble generation mechanisms have been proposed. The two-phase flow swirl method disclosed in Patent Document 1 is intended to reduce the size by entraining the outside air into the swirl flow and forcibly pulverizing, and has a disadvantage that the generation efficiency of nanobubbles with a bubble diameter of less than 1 μm is poor. There is. On the other hand, a so-called cavitation method is used in which a throttle hole is provided in the water flow path by a venturi or an orifice, and the dissolved air is precipitated as fine bubbles by the pressure reducing effect resulting from Bernoulli's theorem when water passes at a high flow rate. Various microbubble generation mechanisms have been proposed (Patent Documents 2 to 10). In particular, in the methods disclosed in Patent Documents 6 to 10, a screw member is arranged in the middle of the throttle hole, and the water flow is further accelerated by a gap formed between the screw valleys or the opposing screw members. Thus, cavitation efficiency can be improved and nanobubbles can be generated at a higher density. In Patent Documents 6 and 7, it is shown by bubble measurement using a laser diffraction particle size meter or the like that bubbles in the nano region can be obtained with high density.
Further, when the water flow passes through the collision portion formed by the screw member, the water flow is vigorously stirred by the Karman vortex generated based on the flow detour and the reduced-pressure boiling phenomenon due to cavitation. Therefore, when a gas such as air or ozone is mixed with the water flow and supplied to the nozzle in a mixed phase state, the gas is caught in the strong stirring region formed by the screw member, and can be efficiently dissolved. In addition, the gas phase that could not be dissolved can be refined with a stirring flow and coexist with the dissolved gas in the form of nanobubbles. Such a gas dissolution method is disclosed in Patent Document 8 and Patent Document 9.
特開2008−229516号公報JP 2008-229516 A 特開2008− 73432号公報JP 2008-73432 A 特開2007−209509号公報JP 2007-209509 A 特開2007− 50341号公報JP 2007-50341 A 特開2006−116518号公報JP 2006-116518 A WO2010/055702号公報WO2010 / 055702 publication WO2013/012069号公報WO2013 / 012069 特開2011−240206号公報JP 2011-240206 A WO2013/011570号公報WO2013 / 011570
 特許文献6~10に開示の液体処理ノズルは、開示されているレーザー回折式粒度計の測定結果から微細気泡を発生できていることは明らかであるが、微細気泡の発生効率に関しては十分とはいえない問題がある。たとえば、これら公報に開示のノズルを実際にシャワーに組み込んで、洗髪したときの洗浄力や体感(特に髪の保湿性など)の評価に供してみると、思ったほど効果が上がらず、特に髪の保湿性に関しては不足すると答えたユーザーが多いことが判明した。また、これらノズルに、炭酸ガスや酸素などの気体を水とともに供給し、ガス溶解を行うテストも試みたが、ガスの溶解効率についても満足のゆく結果は得られなかった。
 上記の問題は、ノズルの微細気泡発生ないしガス溶解の性能の根本を支配するキャビテーションの発生条件が適正化されていないことに起因すると考えられる。しかしながら、該キャビテーションを支配すると考えられるパラメータは、採用するねじの寸法、ねじ谷のピッチや深さ、ねじの本数及び配置、ギャップの形成形態、ねじ位置での流路断面積など多数あり、互いにトレードオフとなるパラメータも数多く含まれていることから、ノズル寸法の試行錯誤的な設計変更のみで気泡発生効率やガス溶解効率を系統的に改善することは絶望的に近い。
 そして、上記特許文献6~9は、いずれも微細気泡の発生原理を定性的に開示するのみであり、代表的なノズルの構成例も、ねじやノズル本体の寸法情報が全く開示されていないか、開示されていても1点のみであったりする。つまり、微細気泡の発生効率やガス溶解効率を適正化するのにノズルのどの要素をどのように変更すればよいのか、に関しては、ほとんど何も開示していないに等しく、結果としてどの程度の性能改善代が存在するのかを全く把握することができない。これは、これらの文献において、データ的に開示されているのが微細気泡の相対的な気泡径分布のみであり、その水を使用したときに具体的に得られる効果(たとえば髪などの保湿改善の程度、ガスの溶解性能など)についてデータ開示が全くなされていないことにも関係しており、気泡発生量と期待されるべき効果との定量的な傾向把握をすることは不可能である。
 本発明の課題は、キャビテーション能力ひいては微細気泡の発生能力に優れ、かつ、髪などの保湿性改善やガス溶解能力などの性能上の優位性についても、明確に従来技術をしのぐ液体処理ノズルと、それを用いた液体処理方法、ガス溶解方法及びガス溶解装置を提供することにある。
Although it is clear that the liquid processing nozzles disclosed in Patent Documents 6 to 10 are capable of generating fine bubbles from the measurement results of the disclosed laser diffraction particle size meter, the generation efficiency of the fine bubbles is not sufficient. There is a problem I can't say. For example, when the nozzles disclosed in these publications are actually incorporated into a shower and used for evaluation of the cleaning power and body feeling (especially the moisture retention properties of the hair) when washing the hair, the effect is not as high as expected. It turned out that there were many users who answered that there was a lack of moisture retention. In addition, a test was conducted in which gas such as carbon dioxide or oxygen was supplied to these nozzles together with water to dissolve the gas, but satisfactory results were not obtained with respect to the gas dissolution efficiency.
The above problem is considered to be caused by the fact that the conditions for generating cavitation that govern the generation of fine bubbles and gas dissolution performance of the nozzle are not optimized. However, there are many parameters that are considered to dominate the cavitation, such as the size of the screw to be used, the pitch and depth of the thread valley, the number and arrangement of the screws, the formation form of the gap, and the cross-sectional area of the flow path at the screw position. Since many trade-off parameters are included, it is almost hopeless to systematically improve bubble generation efficiency and gas dissolution efficiency only by trial and error design change of nozzle dimensions.
The above Patent Documents 6 to 9 only qualitatively disclose the principle of generation of fine bubbles, and the configuration examples of typical nozzles do not disclose any dimensional information on screws or nozzle bodies. Even if it is disclosed, there is only one point. In other words, almost nothing is disclosed as to which elements of the nozzle should be changed to optimize the generation efficiency of fine bubbles and gas dissolution efficiency, and as a result, how much performance It is impossible to grasp whether there is an improvement fee. In these documents, only the relative bubble diameter distribution of fine bubbles is disclosed in these documents, and the effect that is specifically obtained when water is used (for example, improvement of moisture retention such as hair) This is also related to the fact that no data is disclosed about the degree of gas dissolution, etc.), and it is impossible to grasp the quantitative trend between the amount of generated bubbles and the expected effect.
The problem of the present invention is that it has excellent cavitation ability and thus fine bubble generation ability, and also has a liquid treatment nozzle that clearly outperforms the prior art in terms of performance advantages such as improvement of moisture retention and gas dissolution ability of hair, An object of the present invention is to provide a liquid processing method, a gas dissolving method and a gas dissolving apparatus using the same.
 上記の課題を解決するために、本発明の液体処理ノズルは、
 一端に液体入口を、他端に液体出口を有する液体流路が形成されたノズル本体と、
 液体流路の内面から各々突出するとともに外周面に周方向の山部と高流速部となる谷部とが複数交互に連なるように形成された衝突部を有する処理コア部とを備え、
 液体流路の中心軸線と直交する平面への投影において、処理コア部における液体流路の投影領域の外周縁内側の全面積をS1、衝突部の投影領域面積をS2として、処理コア部の全流通断面積Stを、
 St=S1−S2 (単位:mm
として定義したとき、液体入口及び液体出口の断面積が全流通断面積Stよりも大きく設定されるとともに、
 衝突部の投影外形線に現れる谷部の深さhを0.2mm以上確保するとともに、谷部の最底位置を表す谷点のうち、中心軸線の投影点を中心として液体流路の内周縁までの距離の70%に相当する半径にて描いた基準円の内側に位置するものの数をN(個)、基準円の外側に位置するものの数をNc(個)とし、谷深さ補正係数αを
 h≧0.35mmのときα=1、
 h<0.35mmのとき、α=−60h+41h−6 ・・・(1)
 として定め、
 前記投影にて全流通断面積の領域のうち基準円の内側に位置する部分の面積をS70(単位:mm)として、70%断面比率σ70を、
 σ=S70/St×100(%)
として定め、有効谷点数Neを
 Ne=α・(0.38Nc70+(σ70/50)・N70) ・・・(2)
 として定義したとき、
 Ne/Stで表される有効谷点密度が1.5個/mm以上確保されてなることを特徴とする。
 また、本発明の液体処理方法は、上記本発明の液体処理ノズルの液体入口に液体を供給し、該液体を衝突部に接触させて液体出口から流出させることを特徴とする。
 上記本発明によると、ノズル本体において液体の流れは、衝突部に衝突してその下流に迂回する際に、谷部内にて絞られることにより増速してキャビテーションを起こし、その減圧沸騰作用により気泡を生じつつ液体を激しく撹拌する。これに、衝突部を高速流が迂回する際に生ずる渦流も加わり、衝突部の周辺及び直下流域には非常に顕著な撹拌領域が形成されることとなる。気泡を析出する減圧域は衝突部周囲の谷底付近に限られており、高速の液体流はほとんど瞬時的に該領域を通過してしまうから、発生した気泡はそれほど成長せずに上記の撹拌領域に巻き込まれ、微細気泡が発生することとなる。キャビテーションが発生するのは上記のごとく主として衝突部の谷部であり、この谷部を流れに対して一つでも数多く接触させることが、微細気泡の発生効率を高める上では重要である。したがって、処理コア部の断面内に配置するねじ谷の数を増大させることが、キャビテーションひいては微細気泡の発生効率向上に有効と思われる。しかし、本発明者らが詳細に検討したところ、問題はそれほど簡単ではなく、谷部の数を機械的に増やしても微細気泡の発生効率改善には単純にはつながらないことが判明した。本発明者らは、その要因を次のような項目に分けて検討した。
(1)衝突部の谷部の形成間隔を一定にすれば、処理コア部における液体流路の断面寸法を大きくし衝突部の流路内面からの突出高さを増加させることで、断面内に存在する谷点数は増える。しかし、この場合は流路の断面積も増え、同じ液体供給圧力であれば流量も増えてしまうから、単位流量あたりに割り振られる谷点数は必ずしも増加するとは限らないし、場合によっては単位流量あたりの谷点数が減じてしまい、キャビテーション効率が却って低下することも実際にあり得る。従って、キャビテーション効率ひいては微細気泡発生効率の大小を支配するのは、処理コア部に形成する谷点の絶対数ではなく、これを流路断面積で規格化した谷点密度のほうである。これは、単位流量あたりの液体が何個の谷点と接するか、ということとも密接に関係している。
(2)管路内の流速は、管軸断面中心付近で最大となり管内壁面位置で最小となる形で、半径方向に放物線状の分布を示す。したがって、流路断面内の谷部はどの位置にあるものも等価に微細気泡発生に寄与するのではなく、断面中心に近い谷部ほどキャビテーションに必要な流速を確保しやすく、微細気泡発生への貢献度も大きい。したがって、谷点数を評価する場合は、断面中心からの距離により異なる重みを考慮する必要がある。
(3)断面中心付近に位置する谷点が実際にキャビテーション効果に有効に寄与するためには、当該断面中心付近で期待通りの流速が得られている場合に限る。一見、これは自明な事項のようにも思えるが、断面中心付近に谷部を配置するということは、その谷部を形成する衝突部の少なからぬ部分が断面中心領域を占有するということであり、断面中心付近の谷点数を増やせば増やすほど流れが妨げられて流速が確保できなくなるジレンマが生ずる。断面中心領域で障害物に妨げられた流れは、断面外縁領域に回り込み、もともと流量が不足しがちな該領域での流速向上に貢献する可能性はもちろんあるが、断面中心領域を妨げられることなく通過できた場合と比較して、大幅な流れ損失は避けがたくなる。したがって、断面中心付近に配置された谷点数は、断面中心付近の流通面積により重み付けを付与して評価する必要がある。
(4)衝突部に形成する谷部の形成間隔を狭くすれば、同じ流路断面積であっても谷点数を増やすことができる。しかし、谷部の形成間隔とともに谷部の深さが減少すると、谷底での流れ絞り効果が減じ、キャビテーション効率の低下につながる懸念がある。したがって、谷点数をより多く確保するために谷部深さの小さい衝突部を採用する場合は、谷深さに応じた重みづけにより谷点数を評価する必要がある。
 本発明者らは、衝突部の寸法と谷部の形成深さ、衝突部の個数と配置形態、さらに衝突部を配置する処理コア部での流路断面寸法を種々に設定した多数の液体処理ノズルを製作し、微細気泡の濃度や、微細気泡を含有した処理済み液体の特性、及びガス溶解効率などを詳細に検討した。その結果、上記(1)で述べた処理コア部における衝突部の谷点密度を、(2)~(4)の3つの要因を反映した形で的確に重みづけする手法に到達し、そのように重みづけした谷点密度において、前記特許文献に開示された液体処理ノズルよりも明らかにキャビテーション効率ひいては微細気泡の発生効率に優れた数値範囲が存在することを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
 以下、順に説明する。まず前提として、液体入口及び液体出口の断面積を処理コア部の全流通断面積Stよりも大きく設定する。これは、液体入口及び液体出口の断面積がStよりも小さくなると、液体入口及び液体出口での流量損失が大きくなりすぎて、処理コア部にて十分なキャビテーションを発生させるための流速が確保できなくなるからである。液体入口及び液体出口の断面積は、処理コア部における液体流路の投影領域の外周縁内側の全面積S1よりも大きく設定しておくことが、より望ましい。また、液体処理ノズルに液体を流通させる場合の液体圧としては、標準的な水道圧である0.1MPaを中心に、0.03MPaから0.4MPa程度までを想定している。
 要因(2)については、中心軸線の投影点を中心として液体流路の内周縁までの距離の70%に相当する半径にて基準円を設定する。障害物のない管路にて上記の液体圧範囲では、基準円外側の平均流速と基準円内側の流速比はおおむね0.38:1となることから、本発明者が検討した結果、基準円外側の谷点数Nc70の寄与を、基準円の内側の谷点数N70の寄与の0.38倍程度に小さくなるよう重みづけするのが適当であることがわかった。
 要因(3)については、70%断面比率σ70=S70/St×100(%)の値は、もし衝突部が存在しなければ50%となるから、衝突部を配置した場合も、この70%断面比率の値が50%に近づくほど基準円内側の谷点はより高流速の流れを受けることとなる。そこで、基準円内側の谷点数N70に対しては、σ70/50の値により重みづけするのが適当であると考えた。
 要因(4)については、谷部の深さの影響を種々に検討した結果、まず、衝突部の投影外形線に現れる谷部の深さhが0.2mm未満となる場合には、微細気泡の発生があまり見込めないことがわかった。そして谷部の深さhの値が0.2mm以上に増大したとき、hの増大とともに微細気泡発生への貢献は次第に顕著となり、谷深さhの微細気泡発生への影響を、h=0.25mm、0.3mm、0.35mmの各場合について0.5:0.9:1.0の比率にて谷点数に対し重み付けしたときに、微細気泡の発生効率やガス溶解効率の実験検証結果が良く説明できることが、本発明者らの検討により判明した。また、谷深さhが0.35mm以上では、該hの影響は頭打ちとなることもわかった。そこで、上記のごとく、重み付けされた基準円内側の谷点数N70と基準円外側の谷点数Nc70の合計に対する重み付けとして、谷深さ補正係数αを前記(1)式により定める。(1)の2番目の式にかかるhの二次式は、hを0.25mm、0.3mmないし0.35mmとした場合のαの値として、上記のごとく、それぞれ0.5、0.9ないし1.0が適当であることの経験則を二次式により近似したものであり、0.2~0.35mmという比較的狭い数値範囲内にて、hが上記以外の値をとった場合のαの適切な値を合理的に算出することができる。
 こうして、上記3つの要因ごとにそれぞれ適正化された係数により重み付けされた谷点数Neは、前述の(2)式のごとくとなる。そして、この有効谷点数Neを前述の処理コア部の全流通断面積Stで規格化した有効谷点密度Ne/Stは、液体処理ノズルの微細気泡発生能力を客観的に数値化する指標となる。そして、該値が1.5個/mm以上確保されているとき、キャビテーション効率ひいては微細気泡の発生効率は前記特許文献に開示された液体処理ノズルよりも明らかに向上し、微細気泡を含んだ液体特有の種々の効果を従来ないレベルに顕在化させることができる。有効谷点密度は、より望ましくは1.8個/mm以上確保されているのがよい。液体流路の軸断面形状はたとえば円形にすることが望ましいが、過度の損失を生じない限り、楕円や正多角形状(正方形、正六角形、正八角形等)の軸断面を有するものとして形成することも可能である。
 衝突部に形成する複数巻の山部は、らせん状に一体形成することができる。このようにすると、山部の形成が容易になるほか、流れに対し山部が傾斜することで、山部の稜線部を横切る流れ成分が増加し、流れ剥離に伴う乱流発生効果が著しくなるので、気泡のさらなる微細化を図ることができる。この場合、衝突部は、脚部末端側が流路内に突出するねじ部材にて形成しておくと、該ねじ部材のねじ山を山部として利用でき、製造が容易である。
 処理コア部における有効谷点密度の上限に制限はないが、前述のごとくキャビテーション効率確保の観点から谷部深さを0.20mm以上確保する必要があることから、無制限に大きくすることは現実的には難しい。また、谷部の深さに関しては、前述のごとく0.35mm以上で流れの絞り効果は飽和し、谷深さ補正係数αは一律に1.0に設定されるから、谷点密度を大きくする観点においては、谷部の深さの上限は0.35mmを少し超える0.4mm程度にとどめるのが好適である。すなわち、衝突部の谷部の深さは0.20mm以上0.40mm以下に設定するのがよく、より望ましくは0.25mm以上0.35mm以下に設定するのがよい。この場合、処理コア部における液体流路の断面形状を円形として、有効谷点密度Neを1.5個/mm以上確保するためには、その内径Dを2mm以上7mm以下(望ましくは2mm以上6mm以下)とするのがよく、全流通断面積Stはこのとき、1.2mm以上35mm以下(望ましくは1.2mm以上20mm以下)の範囲で確保できる。液体処理ノズルの出口側を開放して、入口側に液圧0.1MPaにて水を供給した場合、その液体流路1個当たりの流量はおおむね0.5L/分以上26L/分以下(望ましくは0.5L/分以上15L/分以下)となり、種々の用途に適応する幅広い流量スペクトルを形成できる。
 衝突部をたとえばJIS並目ピッチのねじ部材で構成する場合、衝突部は外径Mを1.0mm(谷部の深さは0.25mm)以上2.0mm(谷部の深さは0.40mm)以下とするのがよく、より望ましくは1.4mm(谷部の深さは0.30mm)以上1.6mm(谷部の深さは0.35mm)以下とするのがよい。
 液体流路内への衝突部の配置形態としては、たとえばもっとも単純なものの一つとして、流路断面を二分する形で直径方向に配置する形態を例示できる。この構成は、たとえば断面中心付近にギャップを形成しないか、形成してもギャップ間隔を小さく設定することで、基準円内側の谷点数を増やすことができる一方、流路の内径が大きくなると有効谷点密度が急速に減少するという幾何学的な特性を有する。したがって、この構成は、小流量の液体処理ノズルの微細気泡発生効率を向上させたい場合に有効である。具体的には、液体流路の内径Dを2mm以上4.5mm以下(望ましくは2mm以上3.5mm以下)に設定し、全流通断面積Stを1.2mm以上10mm以下(望ましくは1.2mm以上5mm以下)に設定するのがよく、これにより有効谷点密度1.5個/mm以上を確保することができ、良好な微細気泡発生効率を達成できる。液体処理ノズルの出口側を開放して、入口側に液圧0.1MPaにて水を供給した場合、その液体流路1個当たりの流量はおおむね0.5L/分以上7.5L/分以下(望ましくは0.5L/分以上5L/分以下)となる。
 一方、衝突部は投影において中心軸線を取り囲む形態で3以上配置すること、たとえば十字形態に4つ配置することも可能である。この構成では、衝突部の先端部が3つ以上の方向から集合する関係上、基準円内側の流路断面の中心付近には谷点の配置が幾何学的に不能となる領域が存在するが、前段落の構成よりも衝突部の数が増えることで、特に流路断面積の大きい構成(すなわち、大流量が求められる構成)において有効谷点密度を大きくできる利点がある。絞り孔にそれぞれ形成される十字形態の衝突部の組は、たとえばノズル本体の壁部外周面側から先端が絞り孔内へ突出するようにねじ込まれる複数本のねじ部材により容易に形成できる。4本以外では、3本、5本、6本、7本、8本の中から選択することができる。
 突出部を4つ十字状に配置する構成では、具体的には、液体流路の内径Dを2.5mm以上7mm以下(望ましくは2.9mm以上5.5mm以下)に設定し、全流通断面積Stを2.5mm以上35mm以下(望ましくは4mm以上13mm以下)に設定するのがよく、有効谷点密度1.5個/mm以上を確保することができ、良好な微細気泡発生効率を達成できる。液体処理ノズルの出口側を開放して、入口側に液圧0.1MPaにて水を供給した場合、その液体流路1個当たりの流量はおおむね2L/分以上25L/分以下(望ましくは3.5L/分以上13L/分以下)となる。
 この場合、複数の衝突部の先端が集合する断面中心位置に液体流通ギャップを形成することができる。たとえば十字の中心位置に液体流通ギャップを形成すると、最も高流速となる断面中央の流れ(中心流)が液体流通ギャップの形成により妨げられにくくなり、前述の70%断面比率σ70が拡大される結果、同じ谷点数でも有効谷点数が増加し、微細気泡の発生効率がより向上する。この液体流通ギャップの形成により、70%断面比率σ70は40%以上確保することも容易となる。液体流通ギャップの形成による上記の効果は、4つの衝突部の液体流通ギャップを形成する先端面を平坦に形成し、前述の投影において液体流通ギャップが正方形状に形成されている場合に特に顕著である。
 処理コア部にて液体流路に複数の衝突部を配置する場合、該液体流路の軸線方向(流れ方向)にて複数の衝突部を互いにずれた位置に配置することも可能である。このようにすると、衝突部を流れ方向に複数設けることができ、キャビテーションポイントとなる谷部に、流れを繰り返し接触させることが可能となるので、微細気泡の発生効率や後述のガス溶解効率の更なる向上に寄与する。
 本発明の液体処理ノズルにおいては、ノズル本体に形成する液体流路を単一とすることができる。この場合、被処理液体の全流量を増やしたい場合は、分岐継手等によりノズルを複数並列に接続することができる。このようにすると、ノズル1本あたりの流量は小さくても、全体ではキャビテーション効果を犠牲にすることなく十分な流量が確保できるようになる。
 一方、液体流路を液体入口側の流入室と液体出口側の流出室とに区画する隔壁部と、隔壁部に貫通形成され流入室と流出室とを互いに別経路にて連通させる複数の絞り孔とを備え、処理コア部は、絞り孔の内面から各々突出する形で衝突部を形成することも可能である。すなわち、複数のノズルを並列接続する場合は、衝突部が配置される処理コア部の前後の流路が各ノズルに独立して配置される構造になるが、上記の構成では、隔壁部に複数の絞り部を形成し、その前後の流路区間を、該隔壁部が区画する流入室ないし流出室に集約して、それら複数の絞り部により共有化させる形となるのである。これにより、流路が複数系統に分岐する区間は隔壁部に形成された絞り孔のみに短縮することができ、分岐流路が長くなることに由来した偏流発生の防止に貢献する。
 この場合、絞り孔は、それら絞り孔の軸断面積の合計と等価な円の直径をde、絞り孔の長さをLとして、L/deにて定義される絞り孔アスペクト比が3.5以下に設定され、かつ、ノズル本体の軸線と直交する平面への投影において、隔壁部の投影領域の中心位置に定められた基準点から複数の絞り孔の内周縁までの距離Tが該絞り孔の内径Dよりも小さくなる程度に近接配置するのがよい。隔壁部の厚みが大きくなれば断面積の小さい絞り孔自体の長さが大きくなり、その前後の区間が流入室ないし流出室に集約されていたとしても、偏流は発生しやすくなる場合がある。また、隔壁部に形成する複数の絞り孔が、管内壁との流体摩擦により低流速化する隔壁部外周領域に形成されていると、その流速低下の影響により偏流が発生しやすくなる場合がある。そこで、上記のごとく絞り孔アスペクト比を3.5以下に設定することにより、偏流の原因となる分岐区間の長さ、すなわち、衝突部を配置する絞り孔の長さが十分短くなる。また、絞り孔を基準点周りに近接配置することにより、絞り孔は高流速となる隔壁部の中央に集約される。換言すれば、すべての絞り孔が隔壁部の中心に近い位置に集めて配置される。その結果、絞り孔内での流速の低下ないし不均一化が抑制され、偏流を確実に防止することができる。絞り孔アスペクト比L/deの値は、望ましくは3以下であること、より望ましくは2.5以下であるのがよい。また、絞り孔変位Tは絞り孔の内径Dの望ましくは1/2以下であるのがよい。
 なお、絞り孔内の流量損失を抑え、かつ、偏流を防止する観点にあっては、L/deにて定義される絞り孔アスペクト比の値は、衝突部を配置するために必要なスペースを絞り孔内面に確保できる範囲内で、なるべく小さく設定することが望ましいといえる(後述するごとく、流入室と流出室の内面を、各々隔壁部に向けて縮径するテーパ面とする場合は、このテーパ面を直結し、その結合位置に衝突部を形成する構成もあり得るが、この場合の絞り孔の長さは、衝突部の突出基端位置での外径と等しい値として定義する)。また、絞り孔変位Tの値も、絞り孔内の流速を高める観点から、なるべく小さく設定することが望ましく、たとえば隔壁部中心位置で2つの絞り孔が互いに接するように形成される場合など、ゼロとなることを妨げない。
 なお、絞り孔は流れ軸線方向に均一な断面を有する孔としてもよいし、中間部で縮径する不均一断面を有する孔としてもよい。本明細書において、「絞り孔の軸断面積」とは、流れ軸線方向にて最もその値が小さくなる位置での軸断面積を意味するものとする。複数の絞り孔は、軸断面積を互いに異ならせることも可能であるが、この場合、絞り孔の内径Dは、それら複数の絞り孔についての平均値を意味するものとする。絞り孔の長さについても同様。さらに、隔壁部の投影領域の中心位置とは、投影領域が円形の場合はその中心を意味する。しかし、隔壁部の投影領域が正多角形状や楕円状となることも発明概念上は許容され、この場合は当該投影領域の幾何学的重心位置を中心位置として定める。
 また、絞り孔の衝突部よりも下流に位置する区間の長さ(以下、残区間という)をLpとし、絞り孔の軸断面積の合計と等価な円の直径をdeとしたとき、Lp/deにて定義される残区間アスペクト比は1.0以下に設定されていることが望ましい。これにより、複数の絞り孔にてそれぞれ衝突部を通過した液体が流出室にて合流するまでに、析出気泡を含んだ流れの、流体抵抗の大きい絞り孔の残区間の通過距離が短くなり、ひいては個々の絞り孔の衝突部下流に生ずる強撹拌領域も流出室内で一体化し、気泡の微細化効果が一層高められる。
 さらに、絞り孔に関しては、隔壁部の中央付近(基準点周り)に近接配置する要件を、さらに以下のように具体化することができる。すなわち、ノズル本体の軸線と直交する平面への投影において、複数の絞り孔の内周縁に対する外接円の面積をSt、絞り孔の投影領域の合計面積をSrとしたとき、K≡Sr/Stにて定義される絞り孔集約率Kを0.2以上とする。例えば、寸法と形成個数が一致する複数の絞り孔の組同士の場合、絞り孔変位Tが大きくなるほど外接円面積も大きくなる。したがって、上記絞り孔集約率Kは隔壁部中央領域への絞り孔の集中度を表すパラメータとなりえ、該Kを0.2以上とすることにより、偏流抑制効果は一層顕著となり、微細気泡の発生効率やガス溶解効率の更なる向上に貢献する。
 なお、「外接円」は、前記投影における複数の絞り孔(最小径部)の内周縁に対し、そのすべてと外接する円として定義する。また、すべての絞り孔の内周縁に外接する円が幾何学的に描けない場合は、「1以上の絞り孔の内周縁と外接し、残余の絞り孔の内周縁とは交わらない最大の円」として定義する。
 上記の外接円の面積Stは、隔壁部の投影面積の90%以上であることが望ましい。これにより、隔壁部にて絞り孔の外側に形成される流れ遮断領域の面積を小さくでき、こうした領域に特有に発生する流れのよどみや渦流に基づく損失を軽減することができる。絞り孔に対する外接円径が、液体入口の開口径よりも絞られている場合は、隔壁部の投影面積を90%以上とする上で、液体入口に続く流入室の内周面を、隔壁部に向けて縮径するテーパ面とすることが有効である。外接円の面積Stは、隔壁部の投影面積と等しくすることもできる。
 この場合も、処理コア部において複数の絞り孔のそれぞれに、ノズル本体の軸線と直交する平面への投影において衝突部を、孔中心軸線を取り囲む十字形態に4つ配置し、それら4つの衝突部が形成する十字の中心位置に液体流通ギャップが形成された構成とすることができる。絞り孔にそれぞれ形成される十字形態の衝突部の組は、ノズル本体の壁部外周面側から先端が絞り孔内へ突出するようにねじ込まれる4本のねじ部材により容易に形成できる。しかし、複数の絞り孔のそれぞれに、ノズル本体の外側からそれぞれ4本ものねじ部材をねじ込もうとしたとき、幾何学的なレイアウトを誤ると、ねじ同士の干渉や、ある絞り孔に向けてねじ込まれたねじ部材が別の絞り孔内を貫通したりするなど、不具合を生じる。本発明者らが検討した結果、ノズル本体の壁部外周面側から絞り孔に向けてねじ込まれるねじ部により衝突部を形成する場合、こうした不具合を生じることなく最も多くの絞り孔を隔壁部の中心領域に近接して形成する構成としては、処理コア部には絞り孔を、液体流路の中心軸線を挟んで互いに対称な位置関係で2~4個のいずれかで形成するのが最適であることがわかった。そして、前述のねじ部材の干渉を回避するには、各絞り孔に組み込む4つのねじ部材の組は、それら絞り孔の間で軸線方向にて互いにずれた位置に配置することが適当である。偏流と流量損失を抑制する観点から、この場合の絞り孔の配置個数は2個ないし3個が好適であり、ノズル作製の容易性を考慮すれば2個とするのが最適である。
 次に本発明のガス溶解方法は、上記本発明の液体処理ノズルの衝突部に液体とガスとの混相流を供給し、ガスを液体に溶解させた状態で液体出口から流出させることを特徴とする。また、本発明のガス溶解装置は、上記本発明の液体処理ノズルと、該液体処理ノズルの衝突部に液体とガスとの混相流を供給する混相流供給手段と、を備え、ガスを液体に溶解させた状態で液体出口から流出させるようにしたことを特徴とする。
 本発明の液体処理ノズルに液体を供給すると、衝突部の周辺及び直下流域に非常に顕著な強撹拌領域が形成される。キャビテーションにより発生した気泡はそれほど成長せずに上記の強撹拌領域に巻き込まれ、微細気泡が効率的に発生する。しかし、ここで、供給する液体に積極的に外部からガスを導入し、液体とガスとの混相流として処理コア部に供給すると、混相流を形成するガスは衝突部下流の強撹拌領域に巻き込まれることで液体との混合が顕著に進み、ガス溶解をきわめて効率的に行うことができる。
 衝突部の下流域に強撹拌領域を作る大きな要因の一つは、前述のごとく、供給する液体中に溶存しているガス(注:混相流を作るために外部から導入するガスが、一旦溶存したものも含みうる)のキャビテーションによる減圧沸騰析出である。溶存ガスの減圧沸騰をきっかけとして衝突部の下流域に生ずる強撹拌領域では、外部から導入されるガスの撹拌・溶解が、減圧沸騰で損なわれるガス量を桁違いに上回る規模により進行する。また、液体に溶解しきれなかったガスも、浮上速度の非常に小さい微細気泡として液中に留まり、微細気泡特有の種々知られている効果(たとえば、洗浄効果、液体の浸透性促進効果など)がガスの種別に応じて発揮される利点もある。また、同一のガスが溶存ガスと微細気泡の両方の形態で液体中に共存することで、溶存ガスと同種のガスの分圧を有しない雰囲気に暴露したとき、溶存ガスのみが存在する液体と比較して、見かけの溶存ガス濃度の減少速度が低下して高濃度の状態をより長時間維持するようになる。これは、溶存ガスの蒸発速度が低下するのではなく、微細気泡中のガスが周囲の液体に溶出することに起因するものである。これにより、雰囲気開放された状態で一定レベル以上のガス溶存濃度が必要とされる目的に該液体を供する場合、その高濃度を維持する寿命を延長できる、といった利点も生ずる。
 本発明のガス溶解方法においては、液体処理ノズルの衝突部に混相流を供給する方式として、液体処理ノズルの処理コア部に対し、衝突部よりも上流にてガスを流入させる方式を採用可能である。この方式では、処理コア部では衝突部の配置により流路断面積が減じて流れが絞られ、ベンチュリ効果による減圧吸引効果により、溶解するべきガスを比較的低圧で吸い込むことができ、また、衝突部に近い位置でのガス供給となることから導入したガス気泡が速やかに粉砕され、溶解効率を向上させやすい利点がある。この場合、使用する液体処理ノズルの構成として、そのノズル本体に、該ノズル本体の外周面に開口し、複数の衝突部の少なくとも一つのものよりも上流にて絞り孔に連通するガス導入孔を形成したものを採用可能である。ガス導入孔の該ノズル外周面側の入口にガス供給配管を接続すれば、絞り孔内に溶解するべきガスを簡単に導入することができる。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段は、液体処理ノズルの液体入口に液体を供給する液供給部と、ガス導入孔にガスを供給するガス供給部とを備えるものとして構成しておけばよい。
 他方、本発明のガス溶解方法においては、処理コア部の上流にて液体処理ノズルの液体流路か、又は液体処理ノズルの液体入口よりも上流の液供給経路上にてガスを流入させる方式を採用してもよい。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段は、液体処理ノズルの液体入口に液体を供給する液供給部と、液体入口に接続されるノズル本体とは独立したガス供給ノズルを含むガス供給部とを備えるものとして構成すればよい。
 本発明の液体処理ノズルはガスの溶解効率に優れるので、最も簡易には、液体処理ノズルに対し液体を1パスだけ流通させつつガスを溶解させる方式を採用することができる。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段(具体的には、その液供給部)は、外部の液供給源につながる液供給管を接続するための液供給管接続部を備え、液体処理ノズルにてガスを1パスにて溶解させたガス溶解済み液体が液体処理ノズルの液体出口から流出させるようにし、該液体出口側にガス溶解済み液体の排出管を接続するための液排出管接続部を設けた構成とすればよい。
 こうした簡易な1パスによる溶解装置であっても、本発明の液体処理ノズルを用いることにより、高濃度にガスを溶解することができるようになる。一方、ノズルから流出した液体を、ポンプを介して再びノズルに戻しつつ循環させながらガス溶解することも可能であり、より高濃度のガス溶解が可能になるほか、微細気泡として液中に共存させるガス量も顕著に増大させることができる。この場合、ガス溶解装置の混相流供給手段(具体的には、その液供給部)は、液体を貯留する液体貯留部から液体処理ノズルを経て液体貯留部に戻る循環配管と、該循環配管により液体貯留部内の液体を、ガス供給部からのガスと混合しつつ液体処理ノズルを流通させたのち液体貯留部内に戻す形で循環送液させる送液ポンプとを備えるものとして構成できる。
 本発明のガス溶解方法にあっては、ガスを溶解させる液体の種別は特に限定されないが、すでに言及しているごとく水(水溶液や水を溶媒とするコロイド溶液も概念として含む)を用いることができる。また、水以外では、アルコール(及びその水による希釈体)や化石燃料(ガソリン、軽油、重油等)などの有機液状物である。他方、溶解させるガスの種別も同様に限定されないが、たとえば酸素、窒素、炭酸ガス、オゾン、塩素、アルゴン、ヘリウム、水素などであり、それらより選ばれる2種以上の混合ガスであってもよい。
 以下、液体が水の場合、本発明のガス溶解方法がとりわけ顕著に効果を発揮できる具体化内容にについて説明する。第一の事例は炭酸ガスを溶解させる場合である。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段は、炭酸ガスと水の混相流を供給するものとして構成される。
 炭酸ガスは水に対する溶解度が非常に高く、20℃の水の場合の1気圧(常圧:0.1MPa)での飽和溶解度は1800ppmにも達する。たとえば、常圧下で500ppmを超える高濃度の炭酸水を得るためには、常温にて水の体積の30%を超える炭酸ガスを溶解しなければならず、通常は中空糸ガス分離膜を逆利用して、炭酸ガス溶解効率を高める装置が使用されるが、炭酸ガス分離膜を用いたガス溶解ユニットが非常に高価であり、寿命も短い難点がある。また、エジェクタ等を用いた気液混合方式では炭酸ガスの溶解効率が低く、水の体積流量の30%を超える炭酸ガスを1パスで溶解するようなことは非常に困難である。しかしながら、本発明の液体処理ノズルは、ノズルに炭酸ガスと水の混相流を供給するだけで、たとえば0.1MPa程度の水圧でも、水の体積の30%程度の炭酸ガスであれば1パスでも楽に溶解できる性能を発揮する。液体出口側を開放して液体入口に動圧が0.1MPaとなるように水を流通させたとき、液体出口から流出する水流量をQとし、処理コア部の全流通断面積Stにてこれを規格化した水流束Q/Stを0.5L・mm/分以上確保できる(以下、このように構成した本発明の液体処理ノズルを「標準構成の液体処理ノズル」という)。そして、混相流を形成するための炭酸ガス流量をQ1、水流量をQ2としたとき、液体入口側の動水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、炭酸ガス/水流量比Q1/Q2を0.1以上1.0以下(ただし、ガス流量は圧力0.1MPa換算での体積流量:以下、同じ)として、液体処理ノズルに水及び炭酸ガスを1パス又は循環供給すれば、炭酸ガスを水に対し溶解効率40%以上にて溶解することができる。液体入口側の動水圧は0.3MPaを超える高圧に設定することももちろん可能である。
 なお、炭酸ガスを溶解する場合、水としては、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を使用することもできる。炭酸ガスが効率よく溶解することで、次亜塩素酸ナトリウム水溶液のpH値が例えば4.3~6前後の弱酸性に保たれ、殺菌や消毒に有効な解離状態の次亜塩素酸濃度を大幅に高めることができるとともに、炭酸特有のpH緩衝作用によりpH値の変動も小さくすることができる。例えば、従来行われていた塩酸や酢酸添加によるpH調整方式よりも、pH値が3.5以下の低い値にアンダーシュートする現象が極めて生じにくくなり、ひいては有害な遊離塩素ガスの発生を抑えることができる。該効果を高める観点において、次亜塩素酸ナトリウム水溶液は、次亜塩素酸イオン濃度が10ppm以上1000ppm以下に調整されていることが望ましく、炭酸ガスの溶解濃度は200ppm以上1500ppm以下に調整されることが望ましい。次亜塩素酸イオン濃度が10ppm未満では消毒作用が不足し、1000ppmを超えると次亜塩素酸ナトリウム水溶液のコストアップを招く。また、炭酸ガスの溶解濃度は200ppm以上1500ppm以下に調整されることで、次亜塩素酸ナトリウム水溶液のpH値は、消毒効果が最適される4.3~6の範囲に安定して維持することができる。
 また、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いず、通常の水に先に炭酸ガスを本発明の方法により溶解し、追って次亜塩素酸ナトリウム水溶液を添加するようにしてもよい。このようにすると、特に液体処理ノズルの衝突部の材質に要求される耐化学薬品性を大幅に軽減することができる。この場合、本発明のガス溶解装置に対しては、液体処理ノズルから送出される炭酸ガスが溶解した水に対し、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を定量供給する次亜塩素酸ナトリウム水溶液供給部を設けることで、上記方式を実現可能である。
 第二の事例は窒素を溶解させる場合である。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段は、窒素と水の混相流を供給するものとして構成される。ボイラー給水等の水処理分野では、水中の溶存酸素に起因するボイラーや配管の腐食を防止するために、水の脱酸素処理が行われており、その一つの方式として窒素式がある。窒素式脱酸素装置は、原水を窒素ガスと接触させることにより、つまり窒素ガスを溶解させることにより、原水中の溶存酸素を窒素と置換する形で除去するものである(酸素ストリッピングと称する)。本発明のガス溶解方法を利用した場合、ベンチュリ管エジェクタやスタティックミキサなどを用いた従来の方式と比較して、窒素ガスの溶解効率が高くなることにより、より少ない窒素ガス流量及び循環時間にて、原水の酸素濃度を低減することができる。
 窒素溶解済みの水を再び大気に接触させると、大気中の酸素の再溶解が直ちに開始されるため、従来の方法により窒素溶解・脱酸素を行った場合は溶存酸素濃度の上昇速度はかなり早い。しかし、本発明の方法を用いた場合、導入した窒素は溶存状態だけではなく、気泡径1μm以下の微細気泡の形でも多量に含有されることとなり、気泡からの窒素の溶解が大気からの酸素の溶解を抑制する結果、低溶存酸素濃度状態を従来の数倍から数10倍の長期間保つことができるようになる。
 標準構成の液体処理ノズルを用いる場合は、前述の構成の混相流を形成するための窒素流量をQ1、水流量をQ2としたとき、液体入口側の動水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、窒素/水流量比Q1/Q2を0.1以上0.3以下として液体処理ノズルに1パス供給するか循環供給することにより、水の溶存酸素濃度を1ppm以下とすることができる。なお、循環供給するときのパス数とは、ポンプ循環の場合、ポンプ送液流量をQP(L/分)、循環時間をT(分)、タンク内の水体積をV(L)としたき、QP×T/Vにて定義する。
 第三の事例は酸素を溶解させる場合である。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段は、酸素と水の混相流を供給するものとして構成される。魚の飼育槽や、活魚(貝類も含む)を養生するための生簀、あるいは農業用水(特に、水耕栽培用水)においては、魚や植物が水中の溶存酸素を消費する結果、エアレーション等による酸素の恒常的な補給が必要であり、浮上により無駄に消費される酸素量も大きい。本発明のガス溶解方法を利用した場合、ベンチュリ管エジェクタやスタティックミキサなどを用いた従来の方式と比較して、酸素ガスの溶解効率が高くなることにより、より少ない酸素ガス流量及び循環時間にて原水の溶存酸素濃度を顕著に上昇ないし維持させることができる。
 例えば標準構成の液体処理ノズルを用いる場合は、前述の構成の混相流を形成するための水素流量をQ1、水流量をQ2としたとき、液体入口側の動水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、水素/水流量比Q1/Q2を0.1以上0.3以下として液体処理ノズルに1パスないし循環供給することにより、水の溶存水素濃度を0.3ppm以上1.8ppm以下とすることができる。
 用いるガスとしては純酸素を用いてもよいし、空気など窒素と酸素の混合ガスを用いてもよい。空気よりも高濃度の酸素ガスを供給すると、得られる水の溶存酸素濃度は常温常圧での大気平衡溶存濃度(約8ppm)より高くすることができるし、これよりも酸素が欠乏した水を原水とする場合は、空気を溶解させることで空気との平衡溶存酸素濃度近傍のレベルは維持できるようになる。
 大気平衡溶存濃度よりも高濃度に酸素を溶解した水を再び大気に接触させた場合は、該大気平衡溶存濃度に減少するまで酸素の蒸発が進行する。また、水中で魚や貝を飼育ないし養生する場合、これらの魚や貝により酸素が消費されて酸素濃度は、より急激に減少する。これらの場合、従来の方法により酸素溶解を行うと溶存酸素濃度の低下速度はかなり早い。しかし、また、本発明の方法を用いた場合、導入した酸素が溶存状態だけではなく、気泡径1μm以下の微細気泡の形でも多量に含有されることとなり、蒸発や消費により減耗する酸素が気泡から溶解する酸素により補われる結果、高溶存酸素濃度状態をたとえば従来の数倍から数10倍の長期間保つことができるようになる。また、酸素の溶解効率が高いので、酸素消費体が存在する場合も、高溶存酸素濃度状態を維持するために必要な酸素供給流量も大幅に削減することができる。
 たとえば標準構成の液体処理ノズルを用いる場合は、前述の構成の混相流を形成するための酸素流量をQ1、水流量をQ2としたとき、液体入口側の動水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、酸素/水流量比Q1/Q2を0.1以上0.3以下として液体処理ノズルに1パスないし循環供給することにより、水の溶存酸素濃度を10ppm以上40ppm以下とすることができる。
 第四の事例は水素を溶解させる場合である。この場合、本発明のガス溶解装置の混相流供給手段は、水素と水の混相流を供給するものとして構成される。水中の溶存水素は顕著な還元性を示し、酸化防止効果や活性酸化種の不活性化効果を発揮し、飲用や摂取により生体内への取り込むことを前提とした製品も多数存在する。酸素や窒素と異なり、水素は水への飽和溶解度が低いばかりでなく、全ガスの中でも最も比重が小さいために、一旦溶解した水素の再蒸発が著しいため、高濃度の水素水を得るためには加圧溶解工程が必須であると考えられてきた。しかし、本発明のガス溶解方法を利用した場合、加圧を行わなくとも、液体処理ノズルを水と水素の混相流として通過させるだけで、高濃度の水素水を非常に簡便に得ることができる。また、本発明の方法を用いた場合、導入した水素が溶存状態だけではなく、気泡径1μm以下の微細気泡の形でも多量に含有されることとなり、蒸発により減耗する水素が気泡から溶解する水素により補われる結果、大気に開放した状態であっても、加圧により溶存水素のみを含有させた水素水と比較して、高溶存水素濃度状態を従来のたとえば数倍から数10倍の長期間保つことができるようになる。また、水素も窒素と同様に溶存酸素のストリッピング効果があり、ボイラーや配管などの腐食低減に貢献できる。このとき、溶存水素が還元性を発揮し、酸化腐食低減効果は窒素を用いる場合よりもさらに顕著である。
In order to solve the above problems, the liquid processing nozzle of the present invention is:
A nozzle body in which a liquid channel having a liquid inlet at one end and a liquid outlet at the other end is formed;
A processing core portion having a collision portion formed so that a plurality of circumferential ridges and valleys that become high flow velocity portions are alternately connected to the outer peripheral surface while projecting from the inner surface of the liquid flow path,
In the projection onto the plane orthogonal to the central axis of the liquid flow path, the entire area inside the outer peripheral edge of the projection area of the liquid flow path in the processing core portion is S1, and the projected area area of the collision portion is S2. Distribution cross section St
St = S1-S2 (unit: mm 2 )
When the cross-sectional area of the liquid inlet and the liquid outlet is set larger than the total flow cross-sectional area St,
The depth h of the valley appearing in the projected outline of the collision portion is secured to 0.2 mm or more, and the inner periphery of the liquid flow path centering on the projection point of the central axis among the valley points representing the bottom position of the valley portion N is the number of objects located inside the reference circle drawn with a radius equivalent to 70% of the distance to the distance, Nc is the number of objects located outside the reference circle, and the valley depth correction coefficient α
α = 1 when h ≧ 0.35 mm.
When h <0.35 mm, α = −60h 2 + 41h-6 (1)
As
The area of the portion located inside the reference circle in the region of the total cross-sectional area in the projection is S 70 (Unit: mm 2 ) 70% section ratio σ 70 The
σ = S 70 / St x 100 (%)
The effective valley point number Ne is determined as
Ne = α · (0.38Nc 70 + (Σ 70 / 50) ・ N 70 (2)
When defined as
Effective valley point density expressed by Ne / St is 1.5 / mm 2 It is characterized by being secured above.
Further, the liquid processing method of the present invention is characterized in that a liquid is supplied to the liquid inlet of the liquid processing nozzle of the present invention, and the liquid is brought into contact with the collision portion and flows out from the liquid outlet.
According to the present invention, when the liquid flow in the nozzle body collides with the collision part and detours downstream thereof, the liquid flow is increased in speed by squeezing in the valley part to cause cavitation. Stir the liquid vigorously while In addition to this, a vortex generated when the high-speed flow bypasses the collision portion is added, and a very remarkable stirring region is formed in the vicinity of the collision portion and in the immediately downstream region. The decompression area where the bubbles are deposited is limited to the vicinity of the valley bottom around the collision part, and the high-speed liquid flow passes through the area almost instantaneously. It will be caught in and will generate fine bubbles. As described above, cavitation occurs mainly in the valleys of the collision part, and it is important to increase the generation efficiency of microbubbles by bringing at least one of these valleys into contact with the flow. Therefore, increasing the number of screw valleys arranged in the cross section of the processing core portion seems to be effective for improving the generation efficiency of cavitation and, in turn, fine bubbles. However, when the present inventors examined in detail, it turned out that a problem is not so simple and even if the number of troughs is increased mechanically, it does not simply lead to improvement in the generation efficiency of fine bubbles. The present inventors examined the factors by dividing them into the following items.
(1) If the formation interval of the valley part of the collision part is made constant, the cross-sectional dimension of the liquid channel in the processing core part is increased, and the protrusion height from the inner surface of the flow path of the collision part is increased. The number of valley points that exist increases. However, in this case, since the cross-sectional area of the flow path also increases and the flow rate increases with the same liquid supply pressure, the number of valleys allocated per unit flow rate does not necessarily increase, and in some cases, the flow rate per unit flow rate It is actually possible that the number of valleys will decrease and the cavitation efficiency will decrease instead. Therefore, it is not the absolute number of valley points formed in the processing core part, but the valley point density normalized by the channel cross-sectional area that dominates the cavitation efficiency and hence the fine bubble generation efficiency. This is also closely related to how many valley points the liquid per unit flow rate contacts.
(2) The flow velocity in the pipe line has a parabolic distribution in the radial direction in a form that becomes maximum near the center of the cross section of the pipe axis and becomes minimum at the position of the inner wall surface of the pipe. Therefore, the position of the valley in the cross section of the flow path does not contribute to the generation of fine bubbles equivalently, but the valley close to the center of the cross section is easier to secure the flow rate necessary for cavitation, Great contribution. Therefore, when evaluating the number of valley points, it is necessary to consider different weights depending on the distance from the center of the cross section.
(3) The valley point located near the cross-sectional center actually contributes effectively to the cavitation effect only when the expected flow velocity is obtained near the cross-sectional center. At first glance, this seems to be a trivial matter, but placing the valley near the center of the cross section means that a considerable part of the collision part that forms the valley occupies the central area of the cross section. As the number of valleys near the center of the cross section increases, the dilemma that the flow is hindered and the flow velocity cannot be secured increases. The flow obstructed by the obstacle in the central area of the cross section goes around the outer edge area of the cross section, and there is a possibility of contributing to the improvement of the flow velocity in the area where the flow rate tends to be insufficient, but the central area of the cross section is not obstructed. Compared to being able to pass through, significant flow loss is unavoidable. Therefore, the number of valley points arranged in the vicinity of the cross-sectional center needs to be evaluated by giving a weight to the distribution area near the cross-sectional center.
(4) If the formation interval of the valleys formed in the collision part is narrowed, the number of valleys can be increased even with the same flow path cross-sectional area. However, when the depth of the valley portion decreases with the formation interval of the valley portion, there is a concern that the flow restricting effect at the valley bottom is reduced, leading to a reduction in cavitation efficiency. Therefore, when adopting a collision portion having a small valley depth in order to secure a larger number of valley points, it is necessary to evaluate the number of valley points by weighting according to the valley depth.
The present inventors have made a number of liquid treatments in which the size of the collision part and the formation depth of the valley part, the number and arrangement of the collision parts, and the flow path cross-sectional dimensions in the processing core part where the collision parts are arranged are variously set. A nozzle was manufactured, and the concentration of fine bubbles, characteristics of the treated liquid containing fine bubbles, and gas dissolution efficiency were examined in detail. As a result, we arrived at a method that accurately weights the valley density of the collision part in the processing core part described in (1) above, reflecting the three factors (2) to (4). As a result, the inventors have found that there is a numerical range that is clearly superior to the liquid processing nozzle disclosed in the above-mentioned patent document in terms of the cavitation efficiency and thus the fine bubble generation efficiency. It is a thing.
Hereinafter, it demonstrates in order. First, as a premise, the cross-sectional areas of the liquid inlet and the liquid outlet are set larger than the total flow cross-sectional area St of the processing core part. This is because if the cross-sectional areas of the liquid inlet and the liquid outlet are smaller than St, the flow rate loss at the liquid inlet and the liquid outlet becomes too large, and a flow velocity for generating sufficient cavitation at the processing core can be secured. Because it disappears. More preferably, the cross-sectional areas of the liquid inlet and the liquid outlet are set to be larger than the entire area S1 inside the outer peripheral edge of the projection region of the liquid channel in the processing core. Moreover, as a liquid pressure in the case of distribute | circulating a liquid to a liquid processing nozzle, about 0.03 MPa to about 0.4 MPa is assumed centering on 0.1 MPa which is a standard water supply pressure.
As for the factor (2), a reference circle is set with a radius corresponding to 70% of the distance from the center axis projection point to the inner peripheral edge of the liquid channel. In the above-described liquid pressure range in the conduit having no obstacle, the ratio of the average flow velocity outside the reference circle to the flow velocity inside the reference circle is approximately 0.38: 1. Number of valleys on the outside Nc 70 Is the number of valleys N inside the reference circle. 70 It has been found that it is appropriate to weight such that the contribution is reduced to about 0.38 times the contribution of.
For factor (3), 70% section ratio σ 70 = S 70 The value of / St × 100 (%) is 50% if there is no collision part. Therefore, even when the collision part is arranged, the value of the 70% cross-section ratio becomes closer to 50% and becomes closer to the inner side of the reference circle. The trough will receive a higher flow velocity. Therefore, the number N of valleys inside the reference circle 70 For σ 70 We thought it appropriate to weight by the value of / 50.
Regarding the factor (4), as a result of various investigations on the influence of the depth of the valley, first, when the depth h of the valley that appears in the projected outline of the collision portion is less than 0.2 mm, fine bubbles It was found that the occurrence of is not expected. When the value of the depth h of the valley portion increases to 0.2 mm or more, the contribution to the generation of fine bubbles gradually increases as h increases, and the influence of the valley depth h on the generation of fine bubbles is expressed as h = 0. Experimental verification of fine bubble generation efficiency and gas dissolution efficiency when weighting is applied to the number of valley points at a ratio of 0.5: 0.9: 1.0 for each case of .25 mm, 0.3 mm, and 0.35 mm The inventors have found that the results can be well explained. It was also found that when the valley depth h is 0.35 mm or more, the effect of h reaches a peak. Therefore, as described above, the number N of valley points inside the weighted reference circle 70 And the number of valleys Nc outside the reference circle 70 As a weight for the sum of the above, the valley depth correction coefficient α is determined by the above equation (1). As described above, the quadratic expression of h according to the second expression of (1) is 0.5, 0.00 as the values of α when h is 0.25 mm, 0.3 mm to 0.35 mm, respectively. An empirical rule that 9 to 1.0 is appropriate is approximated by a quadratic equation, and h takes a value other than the above within a relatively narrow numerical range of 0.2 to 0.35 mm. In this case, an appropriate value of α can be reasonably calculated.
Thus, the number of valleys Ne weighted by the coefficients optimized for each of the three factors is as shown in the above-described equation (2). The effective valley point density Ne / St obtained by standardizing the effective valley point number Ne with the total flow cross-sectional area St of the processing core portion is an index for objectively quantifying the fine bubble generation capability of the liquid processing nozzle. . And the value is 1.5 / mm 2 When the above is ensured, the cavitation efficiency and thus the generation efficiency of fine bubbles are clearly improved as compared with the liquid processing nozzle disclosed in the above-mentioned patent document, and various effects peculiar to liquids containing fine bubbles are manifested at an unprecedented level. It can be made. The effective valley point density is more desirably 1.8 pieces / mm. 2 It is good to secure the above. The axial cross-sectional shape of the liquid channel is preferably circular, for example, but it should be formed as having an elliptical or regular polygonal (square, regular hexagon, regular octagon, etc.) axial cross section unless excessive loss occurs. Is also possible.
A plurality of ridges formed in the collision portion can be integrally formed in a spiral shape. In this way, the formation of the peak is facilitated, and the peak is inclined with respect to the flow, so that the flow component crossing the ridge line of the peak increases, and the turbulent flow generation effect accompanying flow separation becomes significant. Therefore, the bubbles can be further miniaturized. In this case, if the collision part is formed by a screw member whose leg end side protrudes into the flow path, the thread of the screw member can be used as a thread part, and the manufacturing is easy.
Although there is no limit to the upper limit of the effective valley point density in the processing core part, as described above, it is necessary to secure a valley depth of 0.20 mm or more from the viewpoint of ensuring cavitation efficiency, so it is realistic to increase it indefinitely. It is difficult to do. As for the depth of the valley portion, the flow throttling effect is saturated at 0.35 mm or more as described above, and the valley depth correction coefficient α is uniformly set to 1.0, so that the valley point density is increased. From the viewpoint, it is preferable that the upper limit of the depth of the valley portion is limited to about 0.4 mm slightly exceeding 0.35 mm. That is, the depth of the valley portion of the collision portion is preferably set to 0.20 mm or more and 0.40 mm or less, and more preferably 0.25 mm or more and 0.35 mm or less. In this case, the cross-sectional shape of the liquid flow path in the processing core portion is circular, and the effective valley point density Ne is 1.5 / mm. 2 In order to ensure the above, the inner diameter D should be 2 mm or more and 7 mm or less (preferably 2 mm or more and 6 mm or less), and the total cross-sectional area St is 1.2 mm at this time. 2 35mm or more 2 Below (desirably 1.2mm 2 20mm or more 2 The following can be secured. When the outlet side of the liquid processing nozzle is opened and water is supplied to the inlet side at a liquid pressure of 0.1 MPa, the flow rate per one liquid flow path is approximately 0.5 L / min to 26 L / min (desirably Is 0.5 L / min or more and 15 L / min or less), and can form a wide flow spectrum suitable for various applications.
For example, when the collision part is formed of a screw member having a JIS coarse pitch, the collision part has an outer diameter M of 1.0 mm (the depth of the valley is 0.25 mm) or more and 2.0 mm (the depth of the valley is 0. 0). 40 mm) or less, and more preferably 1.4 mm (valley depth is 0.30 mm) or more and 1.6 mm (valley depth is 0.35 mm) or less.
As an arrangement form of the collision part in the liquid channel, for example, as one of the simplest ones, a form in which the cross section of the channel is bisected and arranged in the diameter direction can be exemplified. This configuration can increase the number of valleys inside the reference circle by, for example, not forming a gap in the vicinity of the center of the cross section or setting the gap interval to a small value even if it is formed. It has the geometric property that the point density decreases rapidly. Therefore, this configuration is effective when it is desired to improve the fine bubble generation efficiency of the liquid processing nozzle with a small flow rate. Specifically, the inner diameter D of the liquid channel is set to 2 mm to 4.5 mm (preferably 2 mm to 3.5 mm), and the total flow cross section St is 1.2 mm. 2 10 mm or more 2 Below (desirably 1.2mm 2 More than 5mm 2 It is better to set it to the following), and the effective valley point density is 1.5 / mm. 2 The above can be ensured and good fine bubble generation efficiency can be achieved. When the outlet side of the liquid treatment nozzle is opened and water is supplied to the inlet side at a liquid pressure of 0.1 MPa, the flow rate per one liquid flow path is approximately 0.5 L / min to 7.5 L / min. (Desirably 0.5L / min to 5L / min).
On the other hand, it is possible to arrange three or more collision parts in a form surrounding the central axis in projection, for example, four in a cross shape. In this configuration, there is an area where the arrangement of valley points is geometrically impossible near the center of the flow path cross section inside the reference circle due to the fact that the tip of the collision part gathers from three or more directions. By increasing the number of collision parts compared to the configuration of the previous paragraph, there is an advantage that the effective valley point density can be increased particularly in a configuration having a large channel cross-sectional area (that is, a configuration requiring a large flow rate). A set of cross-shaped collision portions respectively formed in the throttle holes can be easily formed by, for example, a plurality of screw members that are screwed so that the front ends protrude into the throttle holes from the wall outer peripheral surface side of the nozzle body. Other than 4, it is possible to select from 3, 5, 6, 7, and 8.
In the configuration in which four protrusions are arranged in a cross shape, specifically, the inner diameter D of the liquid flow path is set to 2.5 mm to 7 mm (preferably 2.9 mm to 5.5 mm), and the entire flow is interrupted. Area St 2.5mm 2 35mm or more 2 Below (preferably 4mm 2 More than 13mm 2 Or less), and the effective valley point density is 1.5 / mm. 2 The above can be ensured and good fine bubble generation efficiency can be achieved. When the outlet side of the liquid processing nozzle is opened and water is supplied to the inlet side at a liquid pressure of 0.1 MPa, the flow rate per one liquid flow path is approximately 2 L / min to 25 L / min (preferably 3 0.5 L / min to 13 L / min).
In this case, the liquid flow gap can be formed at the center position of the cross section where the tips of the plurality of collision portions gather. For example, when the liquid circulation gap is formed at the center position of the cross, the flow at the center of the cross section (center flow) at which the flow velocity is the highest is not easily obstructed by the formation of the liquid circulation gap. 70 As a result, the number of effective valleys increases even with the same number of valleys, and the generation efficiency of fine bubbles is further improved. By forming this liquid flow gap, the 70% cross-sectional ratio σ 70 It is easy to secure 40% or more. The above-mentioned effect due to the formation of the liquid flow gap is particularly remarkable when the front end surface forming the liquid flow gaps of the four collision parts is formed flat and the liquid flow gap is formed in a square shape in the above-described projection. is there.
When a plurality of collision parts are arranged in the liquid channel in the processing core part, it is also possible to arrange the plurality of collision parts at positions shifted from each other in the axial direction (flow direction) of the liquid channel. In this way, a plurality of collision parts can be provided in the flow direction, and the flow can be repeatedly brought into contact with the troughs serving as cavitation points, so that the generation efficiency of microbubbles and the gas dissolution efficiency described later can be improved. Contributes to improvement.
In the liquid processing nozzle of the present invention, a single liquid flow path formed in the nozzle body can be provided. In this case, when it is desired to increase the total flow rate of the liquid to be processed, a plurality of nozzles can be connected in parallel by a branch joint or the like. In this way, even if the flow rate per nozzle is small, the entire flow rate can be secured without sacrificing the cavitation effect.
On the other hand, a partition that partitions the liquid flow path into an inflow chamber on the liquid inlet side and an outflow chamber on the liquid outlet side, and a plurality of throttles that are formed through the partition and communicate with each other through different paths. It is also possible to form a collision part in a form that includes a hole and the processing core part protrudes from the inner surface of the throttle hole. In other words, when a plurality of nozzles are connected in parallel, the flow path before and after the processing core part where the collision part is arranged is arranged independently for each nozzle. The throttle section is formed, and the flow path sections before and after the throttle section are aggregated into an inflow chamber or an outflow chamber defined by the partition wall and shared by the plurality of throttle sections. As a result, the section where the flow path branches into a plurality of systems can be shortened only to the throttle hole formed in the partition wall, which contributes to the prevention of the occurrence of drift due to the length of the branch flow path.
In this case, the throttle hole has a diameter of a circle equivalent to the sum of the axial cross-sectional areas of the throttle holes, de and the length of the throttle hole is L, and the throttle hole aspect ratio defined by L / de is 3.5. In the projection onto a plane that is set as follows and is orthogonal to the axis of the nozzle body, the distance T from the reference point defined at the center position of the projection area of the partition wall to the inner periphery of the plurality of throttle holes is the throttle hole. It is preferable to arrange them close to each other so as to be smaller than the inner diameter D. If the thickness of the partition wall increases, the length of the throttle hole itself having a small cross-sectional area increases, and even if the sections before and after it are concentrated in the inflow chamber or the outflow chamber, drift may be likely to occur. In addition, when the plurality of throttle holes formed in the partition wall are formed in the outer peripheral region of the partition wall where the flow velocity is reduced by fluid friction with the inner wall of the tube, drift may easily occur due to the effect of the decrease in the flow velocity. . Therefore, by setting the throttle hole aspect ratio to 3.5 or less as described above, the length of the branch section that causes the drift, that is, the length of the throttle hole in which the collision portion is arranged is sufficiently shortened. Further, by arranging the throttle holes close to the reference point, the throttle holes are collected at the center of the partition wall portion where the flow velocity is high. In other words, all the throttle holes are gathered and arranged at a position close to the center of the partition wall. As a result, the reduction or non-uniformization of the flow velocity in the throttle hole is suppressed, and drift can be reliably prevented. The value of the aperture hole aspect ratio L / de is desirably 3 or less, and more desirably 2.5 or less. Further, the throttle hole displacement T is desirably 1/2 or less of the inner diameter D of the throttle hole.
In addition, from the viewpoint of suppressing flow loss in the throttle hole and preventing drift, the value of the throttle hole aspect ratio defined by L / de is a space required for arranging the collision portion. It can be said that it is desirable to set it as small as possible within the range that can be secured on the inner surface of the throttle hole (as will be described later, when the inner surfaces of the inflow chamber and the outflow chamber are tapered surfaces that are reduced in diameter toward the partition wall, There may be a configuration in which the tapered surface is directly connected and the collision portion is formed at the coupling position, but the length of the throttle hole in this case is defined as a value equal to the outer diameter at the protruding proximal end position of the collision portion). Also, the value of the throttle hole displacement T is preferably set as small as possible from the viewpoint of increasing the flow velocity in the throttle hole. For example, when the two throttle holes are formed in contact with each other at the central portion of the partition wall, the value is zero. Does not prevent becoming.
The throttle hole may be a hole having a uniform cross section in the flow axis direction or a hole having a non-uniform cross section that is reduced in diameter at the intermediate portion. In this specification, “the axial cross-sectional area of the throttle hole” means an axial cross-sectional area at a position where the value is the smallest in the flow axis direction. The plurality of throttle holes can have different axial cross-sectional areas, but in this case, the inner diameter D of the throttle hole means an average value for the plurality of throttle holes. The same applies to the length of the aperture. Furthermore, the center position of the projection area of the partition wall means the center when the projection area is circular. However, the projected area of the partition wall is allowed to be a regular polygonal shape or an elliptical shape from the concept of the invention. In this case, the geometric gravity center position of the projected area is determined as the center position.
Further, when the length of the section located downstream from the collision portion of the throttle hole (hereinafter referred to as the remaining section) is Lp, and the diameter of a circle equivalent to the sum of the axial sectional areas of the throttle holes is de, Lp / The remaining section aspect ratio defined by de is preferably set to 1.0 or less. Thereby, the passage distance of the remaining section of the throttle hole having a large fluid resistance of the flow including the precipitated bubbles is shortened until the liquid that has passed through the collision portion in the plurality of throttle holes merges in the outflow chamber, As a result, the strong stirring region generated downstream of the collision part of each throttle hole is also integrated in the outflow chamber, and the effect of miniaturizing the bubbles is further enhanced.
Further, with respect to the aperture hole, the requirement for the proximity arrangement near the center of the partition wall (around the reference point) can be further embodied as follows. That is, in the projection onto the plane orthogonal to the axis of the nozzle body, when St is the area of the circumscribed circle with respect to the inner periphery of the plurality of throttle holes and Sr is the total area of the projection areas of the throttle holes, K≡Sr / St The aperture hole aggregation rate K defined as follows is 0.2 or more. For example, in the case of a set of a plurality of throttle holes having the same size and the same number of formations, the circumscribed circle area increases as the throttle hole displacement T increases. Therefore, the throttle hole concentration ratio K can be a parameter representing the concentration degree of the throttle holes in the central region of the partition wall, and by setting the K to 0.2 or more, the drift suppression effect becomes more remarkable, and the generation of fine bubbles Contributes to further improvement in efficiency and gas dissolution efficiency.
The “circumscribed circle” is defined as a circle circumscribing all of the inner peripheral edges of the plurality of aperture holes (minimum diameter portions) in the projection. If the circle circumscribing the inner periphery of all the apertures cannot be drawn geometrically, “the largest circle that circumscribes the inner periphery of one or more apertures and does not intersect the inner periphery of the remaining apertures. ".
The area St of the circumscribed circle is desirably 90% or more of the projected area of the partition wall. Thereby, the area of the flow blocking region formed outside the throttle hole in the partition wall can be reduced, and the flow stagnation and the loss due to the vortex generated in these regions can be reduced. When the circumscribed circle diameter with respect to the throttle hole is narrower than the opening diameter of the liquid inlet, the projected area of the partition wall is set to 90% or more, and the inner peripheral surface of the inflow chamber following the liquid inlet is defined as the partition wall. It is effective to use a tapered surface that decreases in diameter toward the surface. The area St of the circumscribed circle can be made equal to the projected area of the partition wall.
Also in this case, four collision parts are arranged in a cross shape surrounding the hole center axis in each of the plurality of aperture holes in the processing core part in projection onto a plane orthogonal to the axis of the nozzle body, and the four collision parts The liquid circulation gap can be formed at the center position of the cross formed by the. A set of cross-shaped collision portions formed in the respective restriction holes can be easily formed by four screw members that are screwed so that the tip protrudes into the restriction hole from the wall outer peripheral surface side of the nozzle body. However, if you try to screw as many as four screw members from the outside of the nozzle body into each of a plurality of throttle holes, mistaken geometrical layout may cause interference between the screws, or to a certain throttle hole. There is a problem that the screwed screw member penetrates through another throttle hole. As a result of the study by the present inventors, when the collision portion is formed by the screw portion screwed into the throttle hole from the wall portion outer peripheral surface side of the nozzle body, the most restrictive holes are formed in the partition wall portion without causing such a problem. As a configuration to be formed close to the central region, it is optimal to form a throttle hole in the processing core part by any of two to four in a symmetrical relationship with respect to the central axis of the liquid channel. I found out. In order to avoid the interference of the above-described screw members, it is appropriate that the set of four screw members incorporated in each throttle hole is disposed at a position shifted from each other in the axial direction between the throttle holes. From the viewpoint of suppressing drift and flow loss, the number of throttle holes arranged in this case is preferably 2 to 3, and is optimally 2 in consideration of the ease of nozzle fabrication.
Next, the gas dissolving method of the present invention is characterized in that a mixed phase flow of liquid and gas is supplied to the collision portion of the liquid processing nozzle of the present invention, and the gas is discharged from the liquid outlet in a state of being dissolved in the liquid. To do. The gas dissolving apparatus of the present invention includes the liquid processing nozzle of the present invention, and a multiphase flow supply means for supplying a multiphase flow of liquid and gas to a collision portion of the liquid processing nozzle, and converts the gas into a liquid. It is characterized by being allowed to flow out from the liquid outlet in a dissolved state.
When the liquid is supplied to the liquid processing nozzle of the present invention, a very remarkable strong stirring region is formed around the collision portion and in the immediately downstream region. Bubbles generated by cavitation do not grow so much and are caught in the strong stirring region, and fine bubbles are efficiently generated. However, when gas is actively introduced into the supplied liquid from the outside and supplied to the processing core as a mixed phase flow of liquid and gas, the gas forming the mixed phase flows into the strong stirring region downstream of the collision portion. As a result, mixing with the liquid proceeds remarkably and gas dissolution can be performed very efficiently.
As described above, one of the major factors for creating a strong stirring area in the downstream area of the collision part is the gas dissolved in the liquid to be supplied (Note: The gas introduced from the outside to create a multiphase flow is once dissolved. (Which may also be included) under reduced pressure boiling by cavitation. In the strong stirring region generated in the downstream region of the collision part as a result of the decompression boiling of the dissolved gas, the stirring / dissolution of the gas introduced from the outside proceeds on a scale exceeding the amount of gas impaired by the boiling under reduced pressure. In addition, the gas that could not be dissolved in the liquid remains in the liquid as microbubbles with a very low ascending speed, and various known effects peculiar to microbubbles (for example, cleaning effect, liquid permeability promoting effect, etc.) However, there is also an advantage that is exhibited according to the type of gas. In addition, since the same gas coexists in the liquid in the form of both dissolved gas and fine bubbles, when exposed to an atmosphere that does not have a partial pressure of the same type of gas as the dissolved gas, the liquid that contains only the dissolved gas In comparison, the apparent rate of decrease in dissolved gas concentration decreases and the high concentration state is maintained for a longer time. This is due to the fact that the gas in the fine bubbles elutes into the surrounding liquid, not the evaporation rate of the dissolved gas decreases. As a result, when the liquid is provided for the purpose of requiring a dissolved gas concentration of a certain level or more in an open atmosphere, there is an advantage that the life of maintaining the high concentration can be extended.
In the gas dissolving method of the present invention, as a method of supplying a multiphase flow to the collision part of the liquid processing nozzle, a method of allowing gas to flow upstream from the collision part to the processing core part of the liquid processing nozzle can be adopted. is there. In this method, the flow cross-sectional area is reduced due to the arrangement of the collision part in the processing core part, the flow is restricted, and the gas to be dissolved can be sucked in at a relatively low pressure due to the vacuum suction effect by the venturi effect. Since the gas is supplied at a position close to the part, the introduced gas bubbles are quickly pulverized, and there is an advantage that the dissolution efficiency is easily improved. In this case, as a configuration of the liquid processing nozzle to be used, a gas introduction hole that opens to the outer peripheral surface of the nozzle body and communicates with the throttle hole upstream of at least one of the plurality of collision portions is provided in the nozzle body. The formed one can be used. If a gas supply pipe is connected to the inlet of the gas introduction hole on the outer peripheral surface side of the nozzle, the gas to be dissolved can be easily introduced into the throttle hole. In this case, the multiphase flow supply means of the gas dissolving device of the present invention is configured to include a liquid supply unit that supplies liquid to the liquid inlet of the liquid processing nozzle and a gas supply unit that supplies gas to the gas introduction hole. Just keep it.
On the other hand, in the gas dissolving method of the present invention, a method is adopted in which gas is allowed to flow in the liquid flow path of the liquid processing nozzle upstream of the processing core portion or the liquid supply path upstream of the liquid inlet of the liquid processing nozzle. It may be adopted. In this case, the multiphase flow supply means of the gas dissolving apparatus of the present invention includes a liquid supply unit that supplies liquid to the liquid inlet of the liquid processing nozzle, and a gas that includes a gas supply nozzle independent of the nozzle body connected to the liquid inlet. What is necessary is just to comprise as a thing provided with a supply part.
Since the liquid processing nozzle of the present invention is excellent in gas dissolution efficiency, the simplest method can be used to dissolve the gas while flowing the liquid through the liquid processing nozzle for only one pass. In this case, the multiphase flow supply means (specifically, the liquid supply unit) of the gas dissolving apparatus of the present invention includes a liquid supply pipe connection unit for connecting a liquid supply pipe connected to an external liquid supply source, Liquid discharge for connecting a gas-dissolved liquid discharge pipe to the liquid outlet side so that the gas-dissolved liquid in which gas is dissolved in one pass by the liquid processing nozzle flows out from the liquid outlet of the liquid processing nozzle What is necessary is just to set it as the structure which provided the pipe connection part.
Even with such a simple one-pass dissolution apparatus, the gas can be dissolved at a high concentration by using the liquid treatment nozzle of the present invention. On the other hand, it is also possible to dissolve the gas flowing out from the nozzle while circulating it back to the nozzle via a pump, so that a higher concentration of gas can be dissolved and coexist in the liquid as fine bubbles. The amount of gas can also be increased significantly. In this case, the multiphase flow supply means (specifically, the liquid supply unit) of the gas dissolving apparatus includes a circulation pipe that returns from the liquid storage part that stores the liquid to the liquid storage part via the liquid processing nozzle, and the circulation pipe. A liquid feed pump that circulates and feeds the liquid in the liquid storage part in a form that circulates the liquid processing nozzle while mixing with the gas from the gas supply part and then returns to the liquid storage part can be provided.
In the gas dissolving method of the present invention, the type of the liquid in which the gas is dissolved is not particularly limited. However, as already mentioned, water (including an aqueous solution and a colloidal solution containing water as a solvent) is used. it can. In addition to water, it is an organic liquid such as alcohol (and a diluted product thereof) and fossil fuel (gasoline, light oil, heavy oil, etc.). On the other hand, the type of gas to be dissolved is not limited in the same manner, but may be, for example, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, ozone, chlorine, argon, helium, hydrogen, etc., and may be a mixed gas of two or more selected from them. .
Hereinafter, when the liquid is water, the content of the embodiment in which the gas dissolving method of the present invention can exert a remarkable effect will be described. The first case is when carbon dioxide is dissolved. In this case, the mixed phase flow supply means of the gas dissolving apparatus of the present invention is configured to supply a mixed phase flow of carbon dioxide gas and water.
Carbon dioxide has a very high solubility in water, and the saturation solubility at 1 atm (normal pressure: 0.1 MPa) in the case of 20 ° C. water reaches 1800 ppm. For example, in order to obtain high-concentration carbonated water exceeding 500 ppm under normal pressure, carbon dioxide gas exceeding 30% of the volume of water must be dissolved at room temperature, and usually a hollow fiber gas separation membrane is reversely used. Thus, an apparatus for increasing the carbon dioxide dissolution efficiency is used, but the gas dissolution unit using the carbon dioxide separation membrane is very expensive and has a short life. Further, in the gas-liquid mixing method using an ejector or the like, the dissolution efficiency of carbon dioxide gas is low, and it is very difficult to dissolve carbon dioxide gas exceeding 30% of the volume flow rate of water in one pass. However, the liquid processing nozzle of the present invention simply supplies a mixed phase flow of carbon dioxide gas and water to the nozzle. For example, even with a water pressure of about 0.1 MPa or a carbon dioxide gas of about 30% of the volume of water, even one pass Demonstrate the ability to dissolve easily. When the liquid outlet side is opened and water is circulated to the liquid inlet so that the dynamic pressure is 0.1 MPa, the flow rate of water flowing out from the liquid outlet is Q, and this is the total flow cross-sectional area St of the processing core. Standardized water flux Q / St is 0.5L ・ mm 2 (Hereinafter, the liquid processing nozzle of the present invention configured in this way is referred to as “standard configuration liquid processing nozzle”). When the carbon dioxide flow rate for forming the multiphase flow is Q1 and the water flow rate is Q2, the dynamic water pressure on the liquid inlet side is 0.015 MPa to 0.3 MPa, and the carbon dioxide / water flow ratio Q1 / Q2 is 0. .1 or more and 1.0 or less (however, if the gas flow rate is a volume flow rate in terms of pressure of 0.1 MPa: the same applies hereinafter), if water and carbon dioxide gas are supplied to the liquid treatment nozzle in one pass or circulatingly, In contrast, it can be dissolved at a dissolution efficiency of 40% or more. It is of course possible to set the dynamic water pressure on the liquid inlet side to a high pressure exceeding 0.3 MPa.
In the case where carbon dioxide gas is dissolved, an aqueous sodium hypochlorite solution can also be used as water. Efficient dissolution of carbon dioxide keeps the pH value of the sodium hypochlorite aqueous solution weakly acidic, for example, around 4.3-6, greatly increasing the concentration of hypochlorous acid in a dissociated state effective for sterilization and disinfection. In addition, the fluctuation of the pH value can be reduced by the pH buffering action peculiar to carbonic acid. For example, compared to the conventional pH adjustment method by adding hydrochloric acid or acetic acid, the phenomenon of undershooting to a low value of 3.5 or less is extremely less likely to occur, thereby suppressing the generation of harmful free chlorine gas. Can do. From the viewpoint of enhancing the effect, it is desirable that the sodium hypochlorite aqueous solution is adjusted to have a hypochlorite ion concentration of 10 ppm to 1000 ppm, and the dissolved concentration of carbon dioxide gas is adjusted to 200 ppm to 1500 ppm. Is desirable. When the hypochlorite ion concentration is less than 10 ppm, the disinfection action is insufficient, and when it exceeds 1000 ppm, the cost of the sodium hypochlorite aqueous solution is increased. In addition, the pH value of the aqueous sodium hypochlorite solution should be stably maintained in the range of 4.3 to 6 where the disinfection effect is optimized by adjusting the dissolution concentration of carbon dioxide gas to 200 ppm to 1500 ppm. Can do.
Further, without using a sodium hypochlorite aqueous solution, carbon dioxide gas may be dissolved in normal water by the method of the present invention, and a sodium hypochlorite aqueous solution may be added later. In this way, the chemical resistance required especially for the material of the collision part of the liquid processing nozzle can be greatly reduced. In this case, the gas dissolving apparatus of the present invention is provided with a sodium hypochlorite aqueous solution supply unit for quantitatively supplying a sodium hypochlorite aqueous solution to the water in which the carbon dioxide gas delivered from the liquid processing nozzle is dissolved. Thus, the above method can be realized.
The second case is when nitrogen is dissolved. In this case, the multiphase flow supply means of the gas dissolving apparatus of the present invention is configured to supply a multiphase flow of nitrogen and water. In the field of water treatment such as boiler water supply, water is deoxygenated in order to prevent corrosion of boilers and piping caused by dissolved oxygen in the water, and one method is nitrogen. The nitrogen-type deoxygenation device removes dissolved oxygen in raw water by bringing the raw water into contact with nitrogen gas, that is, by dissolving the nitrogen gas, in a form replacing nitrogen (referred to as oxygen stripping). . When using the gas dissolution method of the present invention, compared with the conventional method using a venturi tube ejector, a static mixer, etc., the nitrogen gas has a higher melting efficiency, thereby reducing the nitrogen gas flow rate and the circulation time. The oxygen concentration of raw water can be reduced.
When the nitrogen-dissolved water is brought into contact with the atmosphere again, the re-dissolution of oxygen in the atmosphere starts immediately. Therefore, when the conventional method is used to dissolve and deoxygenate nitrogen, the rate of increase in dissolved oxygen concentration is quite fast. . However, when the method of the present invention is used, the introduced nitrogen is contained not only in a dissolved state but also in the form of fine bubbles having a bubble diameter of 1 μm or less, and the dissolution of nitrogen from the bubbles is caused by oxygen from the atmosphere. As a result, the low dissolved oxygen concentration state can be maintained for a long time from several times to several tens of times the conventional one.
When a liquid treatment nozzle having a standard configuration is used, the dynamic water pressure on the liquid inlet side is 0.015 MPa or more and 0.3 MPa or less when the nitrogen flow rate for forming the multiphase flow having the above configuration is Q1 and the water flow rate is Q2. The dissolved oxygen concentration of water can be reduced to 1 ppm or less by supplying the nitrogen / water flow rate ratio Q1 / Q2 to 0.1 or more and 0.3 or less and supplying the liquid treatment nozzle in one pass or circulating supply. In the case of pump circulation, the number of passes for circulating supply means that the pump liquid flow rate is QP (L / min), the circulation time is T (min), and the water volume in the tank is V (L). QP × T / V.
The third case is when oxygen is dissolved. In this case, the multiphase flow supply means of the gas dissolving apparatus of the present invention is configured to supply a multiphase flow of oxygen and water. In fish breeding tanks, ginger for curing live fish (including shellfish), or agricultural water (especially water for hydroponics), fish and plants consume dissolved oxygen in the water, resulting in oxygen constants due to aeration, etc. Replenishment is necessary, and the amount of oxygen consumed in vain due to ascent is large. When the gas dissolution method of the present invention is used, the oxygen gas dissolution efficiency becomes higher compared to the conventional method using a venturi tube ejector, a static mixer, etc., thereby reducing the oxygen gas flow rate and the circulation time. The dissolved oxygen concentration of the raw water can be significantly increased or maintained.
For example, when a liquid processing nozzle having a standard configuration is used, the dynamic water pressure on the liquid inlet side is 0.015 MPa or more and 0.3 MPa when the hydrogen flow rate for forming the multiphase flow having the above-described configuration is Q1 and the water flow rate is Q2. Hereinafter, the hydrogen / water flow ratio Q1 / Q2 is set to 0.1 or more and 0.3 or less, and the dissolved hydrogen concentration of water is set to 0.3 ppm or more and 1.8 ppm or less by supplying the liquid treatment nozzle in one pass or circulation. Can do.
As the gas to be used, pure oxygen may be used, or a mixed gas of nitrogen and oxygen such as air may be used. If oxygen gas with a higher concentration than air is supplied, the dissolved oxygen concentration of the resulting water can be made higher than the atmospheric equilibrium dissolved concentration (about 8 ppm) at room temperature and normal pressure. In the case of using raw water, the level near the equilibrium dissolved oxygen concentration with air can be maintained by dissolving air.
When water in which oxygen is dissolved at a concentration higher than the atmospheric equilibrium dissolved concentration is brought into contact with the atmosphere again, the evaporation of oxygen proceeds until the concentration decreases to the atmospheric equilibrium dissolved concentration. In addition, when fish or shellfish are raised or cured in water, oxygen is consumed by these fish and shellfish, and the oxygen concentration decreases more rapidly. In these cases, when oxygen is dissolved by the conventional method, the rate of decrease in the dissolved oxygen concentration is considerably fast. However, when the method of the present invention is used, the introduced oxygen is contained not only in a dissolved state but also in the form of fine bubbles having a bubble diameter of 1 μm or less, and oxygen depleted by evaporation or consumption is bubbled. As a result of being supplemented by the dissolved oxygen, the high dissolved oxygen concentration state can be maintained for a long time, for example, several times to several tens of times the conventional one. In addition, since the oxygen dissolution efficiency is high, the oxygen supply flow rate required to maintain a high dissolved oxygen concentration state can be greatly reduced even when an oxygen consumer is present.
For example, when a liquid processing nozzle having a standard configuration is used, the dynamic water pressure on the liquid inlet side is 0.015 MPa or more and 0.3 MPa when the oxygen flow rate for forming the multiphase flow having the above configuration is Q1 and the water flow rate is Q2. Hereinafter, the oxygen / water flow ratio Q1 / Q2 is set to 0.1 or more and 0.3 or less, and the dissolved oxygen concentration of water can be set to 10 ppm or more and 40 ppm or less by supplying the liquid treatment nozzle in one pass or circulation.
The fourth case is when hydrogen is dissolved. In this case, the multiphase flow supply means of the gas dissolving apparatus of the present invention is configured to supply a multiphase flow of hydrogen and water. Dissolved hydrogen in water exhibits remarkable reducibility, exhibits an antioxidant effect and an inactivating effect of active oxidative species, and there are many products that are presumed to be taken into the body by drinking or ingestion. Unlike oxygen and nitrogen, hydrogen not only has a low saturation solubility in water, but also has the lowest specific gravity among all gases, so the re-evaporation of dissolved hydrogen is significant, so that high-concentration hydrogen water can be obtained. It has been considered that a pressure dissolution process is essential. However, when the gas dissolution method of the present invention is used, high-concentration hydrogen water can be obtained very simply by passing the liquid treatment nozzle as a mixed phase flow of water and hydrogen without performing pressurization. . In addition, when the method of the present invention is used, the introduced hydrogen is contained not only in a dissolved state but also in the form of fine bubbles having a bubble diameter of 1 μm or less, so that hydrogen depleted by evaporation dissolves from the bubbles. As a result, even in a state open to the atmosphere, compared to hydrogen water containing only dissolved hydrogen by pressurization, the high dissolved hydrogen concentration state is, for example, several times to several tens of times longer than conventional. Will be able to keep. Hydrogen, like nitrogen, has a stripping effect of dissolved oxygen, which can contribute to reducing corrosion of boilers and piping. At this time, dissolved hydrogen exhibits reducibility, and the oxidative corrosion reduction effect is even more remarkable than when nitrogen is used.
発明の効果は、本発明の作用及び効果の詳細については、「課題を解決するための手段」の欄にすでに記載したので、ここでは繰り返さない。 The effects of the present invention have already been described in the section of “Means for Solving the Problems” for details of the operation and effects of the present invention, and will not be repeated here.
 図1は、本発明の液体処理ノズルの第一実施形態を示す横断面図及び側面図。
 図2は、図1の液体処理ノズルの処理コア部の詳細を示す側面図。
 図3は、図2の谷点配置を示す説明図。
 図4は、衝突部における山部と谷部の作用説明図。
 図5は、衝突部の作用を示す平面図。
 図6は、図2の第一変形例を示す側面図。
 図7は、図6の谷点配置を示す説明図。
 図8は、図2の第二変形例を示す側面図。
 図9は、図2の第三変形例を示す側面図。
 図10は、図2の第四変形例を示す側面図。
 図11は、山部及び谷部の形成形態の変形例を示す図。
 図12は、複数の液体処理ノズルを並列接続したユニットの例を示す図。
 図13は、本発明の液体処理ノズルの第二実施形態を示す横断面を、そのA矢視拡大とともに示す図。
 図14は、図13の液体処理ノズルの処理コア部の詳細を示す断面図。
 図15は、図13の処理コア部におけるねじ部材の流れ軸線方向の配置を拡大示す図。
 図16は、図15の変形配置例を示す図。
 図17は、複数の絞り孔の一部を重ねて一体化した実施形態を示す図。
 図18は、図13の液体処理ノズルの各絞り孔の4つのねじ部材を同一平面上に配置する変形例を示す図。
 図19は、処理コア部において、3つの絞り孔を形成する例を示す模式図。
 図20は、衝突部とノズル本体を射出成型により一体形成する場合の変形例を示す図。
 図21は、絞り孔を4つとし、各絞り孔に衝突部をなすねじ部材を1本のみ配置する変形例を示す図。
 図22は、処理コア部におけるねじ部材の配置の変形例を示す図。
 図23は、衝突部の全周に山部を形成しない例を示す図。
 図24は、本発明の液体処理ノズルをシャワーホースの途上に組み込む例を示す模式図。
 図25は、本発明の液体処理ノズルをトイレの便器洗浄に利用する例を示す模式図。
 図26は、図1の液体処理ノズルにガス導入孔を設ける例を示す側面図。
 図27は、図13の液体処理ノズルにガス導入孔を設ける例を示す三面図。
 図28は、本発明の液体処理ノズルを用い、1パスで溶解を行うようにしたガス溶解装置の例を示す断面図。
 図29は、図30のガス溶解装置の使用方法の一例を示す模式図。
 図30は、図28のガス溶解装置に送液ポンプを組み込んだ例を示す断面図。
 図31は、図30のガス溶解装置の使用方法の一例を示す模式図。
 図32は、本発明の液体処理ノズルを用い、液をポンプ循環しながらガス溶解を行うようにした装置の例を示す模式図。
 図33は、図32の装置を、オゾン溶解が可能となるように変形した例を示す模式図。
 図34は、図30のガス溶解装置に、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を定量供給できる機構を追加した例を示す断面図。
 図35は、本発明の処理水に浸漬した人の毛髪サンプルの加熱による重量減少曲線を、比較例の処理水と合わせて示すグラフ。
 図36は、表4の番号106の処理水(実施例)の重量減少曲線を、束縛水および自由水の算定結果とともに示すグラフ。
 図37は、表4の番号107の処理水(実施例)の重量減少曲線を、束縛水および自由水の算定結果とともに示すグラフ。
 図38は、表4の番号110の処理水(比較例)の重量減少曲線を、束縛水および自由水の算定結果とともに示すグラフ。
FIG. 1 is a cross-sectional view and a side view showing a first embodiment of a liquid processing nozzle of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing details of a processing core part of the liquid processing nozzle of FIG. 1.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating the valley arrangement of FIG. 2.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation of the peaks and valleys in the collision portion.
FIG. 5 is a plan view showing the operation of the collision portion.
FIG. 6 is a side view showing a first modification of FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the valley arrangement of FIG.
FIG. 8 is a side view showing a second modification of FIG.
FIG. 9 is a side view showing a third modification of FIG.
FIG. 10 is a side view showing a fourth modification of FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating a modified example of the formation form of the peaks and valleys.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a unit in which a plurality of liquid processing nozzles are connected in parallel.
FIG. 13: is a figure which shows the cross section which shows 2nd embodiment of the liquid processing nozzle of this invention with the A arrow expansion.
14 is a cross-sectional view showing details of a processing core portion of the liquid processing nozzle of FIG.
FIG. 15 is an enlarged view of the arrangement in the flow axis direction of the screw member in the processing core portion of FIG. 13.
FIG. 16 is a diagram showing a modified arrangement example of FIG.
FIG. 17 is a diagram showing an embodiment in which a part of a plurality of throttle holes are overlapped and integrated.
FIG. 18 is a view showing a modification in which four screw members of each throttle hole of the liquid processing nozzle of FIG. 13 are arranged on the same plane.
FIG. 19 is a schematic diagram illustrating an example in which three throttle holes are formed in the processing core portion.
FIG. 20 is a view showing a modification in the case where the collision portion and the nozzle body are integrally formed by injection molding.
FIG. 21 is a diagram showing a modification in which four throttle holes are provided and only one screw member that forms a collision portion is disposed in each throttle hole.
FIG. 22 is a view showing a modified example of the arrangement of the screw members in the processing core part.
FIG. 23 is a diagram illustrating an example in which no crest is formed on the entire circumference of the collision portion.
FIG. 24 is a schematic view showing an example in which the liquid processing nozzle of the present invention is incorporated in the middle of a shower hose.
FIG. 25 is a schematic view showing an example in which the liquid treatment nozzle of the present invention is used for toilet flushing of a toilet.
FIG. 26 is a side view showing an example in which a gas introduction hole is provided in the liquid processing nozzle of FIG. 1.
FIG. 27 is a three-view diagram illustrating an example in which a gas introduction hole is provided in the liquid processing nozzle of FIG. 13.
FIG. 28 is a cross-sectional view showing an example of a gas dissolving apparatus that uses the liquid processing nozzle of the present invention to perform dissolution in one pass.
FIG. 29 is a schematic diagram showing an example of how to use the gas dissolving apparatus of FIG.
30 is a cross-sectional view showing an example in which a liquid feed pump is incorporated in the gas dissolving apparatus of FIG.
FIG. 31 is a schematic diagram showing an example of a method of using the gas dissolving apparatus of FIG.
FIG. 32 is a schematic diagram showing an example of an apparatus that uses the liquid processing nozzle of the present invention to perform gas dissolution while pumping liquid.
FIG. 33 is a schematic view showing an example in which the apparatus of FIG. 32 is modified so that ozone can be dissolved.
FIG. 34 is a cross-sectional view showing an example in which a mechanism capable of quantitatively supplying a sodium hypochlorite aqueous solution is added to the gas dissolving apparatus of FIG.
FIG. 35 is a graph showing a weight reduction curve by heating a human hair sample immersed in the treated water of the present invention together with the treated water of the comparative example.
FIG. 36 is a graph showing a weight reduction curve of treated water (Example) of No. 106 in Table 4 together with calculation results of bound water and free water.
FIG. 37 is a graph showing a weight reduction curve of treated water (Example) of No. 107 in Table 4 together with calculation results of bound water and free water.
FIG. 38 is a graph showing a weight reduction curve of treated water of No. 110 in Table 4 (comparative example) together with calculation results of bound water and free water.
 以下、本発明を実施するための形態を添付の図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態の第一を示す液体処理ノズルの横断面と液体入口側の側面とを示すものである。この液体処理ノズル1は、液体流路3が形成されたノズル本体2を備える。ノズル本体2は円筒状に形成され、その中心軸線Oの向きに円形断面の液体流路が貫通形成されている。液体流路3は一方の端(図面右側)に液体入口4を、他方の端に液体出口5を開口しており、その流れ方向中間位置には液体入口4及び液体出口5よりも径小の絞り孔9が形成されている。液体流路3は絞り孔9よりも液体入口4側が流入室6とされ、液体出口5側が流出室7とされるとともに、絞り孔9の内面からは衝突部10が突出形態で設けられ、処理コア部COREを形成している。
 図2は絞り孔9を側面視した場合の拡大図であり、衝突部10は外周面に周方向の山部11と高流速部となる谷部12とが複数交互に連なるように形成されている。衝突部10は、この実施形態では、脚部末端側が流路内に突出するねじ部材(以下、「ねじ部材10」ともいう)であり、結果、衝突部に形成される複数巻の山部11は、らせん状に一体形形成されている。
 ノズル本体2の材質は、たとえばABS、ナイロン、ポリカーボネート、ポリアセタール、PTFEなどの樹脂であるが、ステンレス鋼や真鍮などの金属やアルミナ等のセラミックスとしてもよく、用途に応じて適宜選択される。また、ねじ部材10の材質はたとえばステンレス鋼であるが、用途に応じて、より耐食性の高いチタンやハステロイ、インコネル(いずれも商標名)などの耐熱合金を用いてもよいし、耐摩耗性が問題となる場合は石英やアルミナなどのセラミック材料を用いることも可能である。特に、金属コンタミを嫌う分野(たとえば半導体分野)への適用には、石英の採用が好適であり、樹脂製のノズル本体2はたとえばPTFEで構成するとよい。
 図1の処理コア部COREにおいて、絞り孔9にそれぞれ形成される衝突部の組は、ノズル本体2に形成されたねじ孔19に対し壁部外周面側から先端が絞り孔9内へ突出するようにねじ込まれる4本のねじ部材により形成されている。ねじ孔19とねじ部材10との間は接着剤等によりセッティング固定されている。図2に示すように、ねじ部材(衝突部)10と絞り孔9内周面との間には主流通領域21が形成されている。また、各絞り孔9において、4つの衝突部10が形成する十字の中心位置には、液体流通ギャップ15が形成されている。液体流通ギャップ15を形成する4つの衝突部10の先端面は平坦に形成され、前述の投影において液体流通ギャップ15は正方形状に形成されている。
 次に、図2において、処理コア部における液体流路の投影領域の外周縁内側の全面積、ここでは、図1の絞り孔9の円形軸断面の面積(内径をdとしたとき、πd2/4)をS1、衝突部10(4本のねじ部材)の投影領域面積をS2として、処理コア部の全流通断面積Stを、
 St=S1−S2 (単位:mm
として定義する。この実施形態では、主流通領域21と液体流通ギャップ15との合計面積が全流通断面積Stに相当する。図1に示すごとく、液体入口4及び液体出口5の開口径は、絞り孔9の内径よりも大きい。すなわち、液体入口4及び液体出口5の断面積は全流通断面積Stよりも大きく設定されている。また、流入室6及び流出室7の絞り孔9に連なる内周面はそれぞれテーパ部13,14とされている。
 図3は図2と全く同一の投影図であり、符号を省略したものである(従って、各部の符号は図2のものを援用する)。ねじ部材(衝突部)10の投影外形線に現れる谷部21の深さhは0.2mm以上確保されている。また、中心軸線Oの投影点を中心として液体流路の内周縁までの距離の70%に相当する半径にて描いた円を基準円C70として定めるとともに、谷部21の最底位置を表す谷点のうち、基準円C70の内側に位置するもの(以下、70%谷点数という:○で表示)の数をN70(個)、基準円C70の外側に位置するもの(以下、70%補谷点数という:●で表示)の数をNc70(個)とする。
 そして、谷深さ補正係数αを、採用するねじ谷深さhに応じて前述の(1)式のごとく定める。さらに、図3に示す投影にて、全流通断面積Stの領域のうち基準円C70の内側に位置する部分の面積をS70(単位:mm)として、70%断面比率σ70を、
 σ70=S70/St×100(%)
として定める。以上を前提として、図1の液体処理ノズル1は、前述の(2)式にて定義される有効谷点数Neが、全流通断面積Stで規格化した有効谷点密度(Ne/St)が1.5個/mm以上(望ましくは1.8個/mm以上)確保されている。絞り部の内径Dとねじ部材10の外径M及び谷深さhを種々に設定したときの、有効谷点密度の値の具体例は後述の表1~6に示す通りである。
 図1の液体処理ノズル1に対し、たとえば、液体出口5側を開放して液体入口4に動圧が0.1MPa程度となるように水を流通させた場合の作用について説明する。この水はたとえば水道水であり、大気と平衡する濃度に空気が溶存しているものとする(たとえば、20℃(常温)での酸素濃度は約8ppm)。水流はまずテーパ部13及び絞り孔9で絞られ、ねじ部材10と絞り孔9内周面との間に形成される図2の主流通領域21と液体流通ギャップ15とからなる液流通領域にてねじ部材10に衝突しながらこれを通過する。
 ねじ部材10の外周面を通過するときに、図4に示すように流れは谷部12に高速領域を、山部11に低速領域をそれぞれ形成する。すると、谷部12の高速領域はベルヌーイの定理により負圧領域となり、キャビテーションすなわち溶存空気の減圧析出により、気泡FBが発生する。谷部はねじ部材10の外周に複数巻形成され、かつねじ部材10が絞り孔9内に4本配置されていることから、この減圧析出は絞り孔9内の谷部にて同時多発的に起こることとなる。すると、図5に示すように、水流がねじ部材10に衝突する際に谷部での減圧析出が沸騰的に激しく起こり、さらにねじ部材10の下流に迂回する際に生ずる渦流にこれを巻き込んで激しく撹拌する。これにより、衝突部10の周辺及び直下流域には、微小渦流FEを無数に含んだ顕著な強撹拌領域SMが形成されることとなる。気泡を析出する減圧域は衝突部10周囲の谷底付近に限られており、高速の液体流はほとんど瞬時的に該領域を通過してしまうから、発生した気泡FBはそれほど成長せずに上記の撹拌領域に巻き込まれ、気泡径が1μm未満の微細気泡が効率的に発生する。
 キャビテーション効率ひいては微細気泡発生効率の大小を支配するのは、谷点の絶対数を流路断面積で規格化した谷点密度であるが、管路内の流速は、管軸断面中心付近で最大となり管内壁面位置で最小となる形で、半径方向に放物線状の分布を示す。たとえば、全断面内の流速分布を有限要素法によるコンピュータ・シミュレーション等により算出し、谷点の位置ごとに流速に応じた重み係数を定めるのが理想的であるが、シミュレーションには非常な長時間を要する。そこで、この発明では簡易な方式として、衝突部のない断面内で流速が断面中心での最大値のおおむね50%となる位置に上記基準円C70を定め、その基準円の内側の谷点数(70%谷点数)N70に対し、外側の谷点数(70%補谷点数Nc70)を0.38倍に重み付けして加算する。
 また、断面中心付近に位置する谷点が実際にキャビテーション効果に有効に寄与するためには、該断面中心付近で期待通りの流速が得られている必要があり、断面中心付近に配置された谷点数は、断面中心付近の流通面積により重み付けを付与して評価する必要がある。70%断面比率σ70の値は、もし衝突部が存在しなければ50%となるから、衝突部を配置した場合も、この70%断面比率の値が50%に近づくほど基準円内側の谷点はより高流速の流れを受けると考え、70%谷点数N70は、σ70/50の値により重みづけされる。そして、谷部の深さhの影響については、基準円の内側・外側に関係なく、前述の(1)式の谷深さ補正係数αにより重み付けされ、有効谷点数Neとして前述の(3)式として算出できる。この有効谷点数Neを前述の処理コア部の全流通断面積Stで規格化した有効谷点密度Ne/Stは、液体処理ノズルの微細気泡発生能力を客観的に数値化する指標となり、該値が1.5個/mm以上(望ましくは1.8個/mm以上)確保されているとき、キャビテーション効率ひいては微細気泡の発生効率が顕著に向上する。
 図6に示すように、衝突部は、直径方向にねじ込まれる2本のねじ部材10で形成してもよい。この構成では、2本のねじ部材10,10の先端面の間に液体流通ギャップ15を形成している。この構成では、ねじ部材10の先端が絞り孔9の断面中心に近づく分だけ、図7に示すように、基準円C70の内側にて、より中心に近い位置に谷点を配置できていることがわかる。ただし、絞り部9の断面径が増大した場合は、有効谷点密度Neが低くなりやすいので、全流通断面積Stが比較的小さい、小流量の液体処理ノズルに適した構成であるといえる。また、図8は、衝突部を直径方向の1本のねじ部材110で構成した例を示すものである。
 なお、図9及び図10に示すごとく、らせん状に一体化されない周方向に閉じた山部111及び谷部112(例えば転造により形成可能)を、衝突部120,130の軸線方向に複数密接配列してもよい。図9では衝突部120の軸線と直交する平面と平行に山部111を形成しており、図10では衝突部120の軸線に対し傾斜して交わる平面と平行に山部111を形成している。
 また、図12に示すように、図1の液体処理ノズル1を分岐継手602等により複数並列に接続し、ノズルユニット600を形成した例である。このようにすると、ノズル601の絞り孔内径を、流速確保を優先して小さく設定した場合も、ノズル1本あたりの流量は小さくなるが、ユニット600全体ではキャビテーション効果を犠牲にすることなく十分な流量が確保できるようになる。この実施形態では、液体処理ノズル1の両端をストレート形状とし、分岐継手602は、分岐側接続部が該ノズルの端をワンタッチ接続するものとされ、流れ合一側の接続部は通常のねじ継手として構成されている。
 山部及び谷部は、衝突部の周方向に全周形成されている必要は必ずしもなく、図23に示すように、キャビテーションポイントとしての機能を発揮しにくい流れ方向(白矢印)の下流側において、衝突部10の外周面に軸線方向の溝部10a等を形成することにより、山部12及び谷部10を周方向の一部区間で切り欠いた構成としてもよい。また、図11は、周方向に断続的に山部141を形成した衝突部140の例を示す立体概念図である。山部141は図11ではピラミッド状の突起部の連なりとして形成されているが、衝突部140の投影側縁に谷部142を生ずる点では何ら変わりはない。
 なお、ねじ部材(衝突部)の先端部は図2に示すものに限らず、他の種々の形態を採用可能であるが、詳細は特許文献7等により周知であるから説明は略する。たとえば、ねじ部材10の先端部は円錐状に形成してもよく、この場合、液体流通ギャップは十字状に形成される。
(実施の形態2)
 図13は、本発明の実施の形態の第二を示す液体処理ノズルの横断面を、液体入口側の軸線方向(A矢視)からの拡大側面とともに示すものである。この液体処理ノズル151は、液体流路3が形成されたノズル本体2を備える。ノズル本体2は円筒状に形成され、その中心軸線Oの向きに円形断面の液体流路が貫通形成されている。ノズル本体2には、液体流路3を液体入口4側の流入室6と液体出口5側の流出室7とに区画する隔壁部8と、隔壁部8に貫通形成され流入室6と流出室7とを互いに別経路にて連通させる複数の絞り孔9と、絞り孔9の内面から各々突出する衝突部10とからなる処理コア部COREが形成されている。図13において、隔壁部8に絞り孔9は中心軸線Oに関して軸対象となるように、同一内径にて2個形成されている。衝突部10は、処理コア部COREにおいて複数の絞り孔9のそれぞれに、図2(及び図3)と全く同じ形態にてノズル本体2の軸線Oと直交する平面への投影において、各絞り孔9の中心軸線を取り囲む十字形態に4つ配置されている。そして、各絞り孔9において、前述の(1)式で定義される有効谷点密度Neが1.5個/mm以上(望ましくは1.8個/mm以上)確保されている。
 絞り孔9にそれぞれ形成される衝突部の組は、ノズル本体2の壁部外周面側から先端が絞り孔9内へ突出するようにねじ込まれる4本のねじ部材により形成されている。A矢視拡大にて破線で示すように、ねじ部材10は、ノズル本体2の壁部に貫通形成されたねじ孔19にねじ込まれ、各ねじ孔19のねじスラスト方向途中位置にはねじ頭下面を支持するための段付き面19rが形成されている。該段付き面19rの形成位置は、ねじ部材10をねじ込んだ時に、絞り孔9内に突出するねじ脚部(すなわち、衝突部となる部分)の長さが、液体流通ギャップ15を形成するのに適正となるように調整されている。ねじ孔19とねじ部材10との間は接着剤等によりセッティング固定されている。
 なお、ノズル本体2の外周面にはねじ孔19が開口するため、これを隠ぺいするためにノズル本体2の外周面を覆う筒状のカバー18が接着等により取り付けられている。なお、カバー部材18の外周面には、メッキや塗装による装飾が施されていてもよい。また、ノズル本体2の両端部外周面には、流入側接続部16と流出側接続部17とが形成されている。
 また、図14に示すように、複数の絞り孔9の間でねじ部材10の干渉を回避するために、各絞り孔9に組み込む4つのねじ部材10の組は、それら絞り孔9の間で軸線方向にて互いにずれた位置に配置されている。また、図14においては、同一の絞り孔9内の複数のねじ部材10A,10Bと10C,10Dとは、該絞り孔9の軸線方向(流れ方向)にて互いにずれた位置に配置されている。具体的には、各絞り孔9において、同一平面上で互いに直交する位置に配置されたねじ部材の対10A,10B及び10C,10Dが、それぞれ流れ方向において互いに異なる位置(図中、上側の絞り孔9については下流側のA及びBの位置に、下側の絞り孔については上流側のC及びD位置)に配置されている。それぞれ図13の中心軸線Oと直交する平面への投影では、A及びBの位置の4つのねじ部材10A,10B、及びC及びD位置の4つのねじ部材10C,10Dが、それぞれ十字形態をなすように配置されることとなる。
 なお、図14においては、各ねじ部材10の対は、先端面外周縁で接する形で(あるいは、液体流通ギャップよりも狭い隙間を介して先端面外周縁間を近接させ形で)、もう一対のねじ部材10とともに正方形状の液体流通ギャップを形成していたのであるが、図22は、各ねじ部材の対の配置にかかるその変形例を示すものである。図22においては、ねじ部材の2つの対10A,10Bのそれぞれにおいて、一方のねじ部材の脚部末端10bを絞り孔9の中央に位置させる一方、その脚部末端10bの周側面に他方のねじ部材の先端面10eを接触(又はギャップを介して対向)させ、絞り孔9の中央に位置する側の脚部末端10b同士を、両対の間でノズル本体2(図13)の軸線方向に互いにずらせて配置している。このようにすると、流速の大きい絞り孔9の中心付近にも、脚部末端10bの谷部を配置することができ、キャビテーション効果、ひいては気泡微細化効果をより高められる。
 図13に戻り、複数の絞り孔9のそれぞれに、ノズル本体2の外側からそれぞれ4本ものねじ部材10をねじ込もうとしたとき、幾何学的なレイアウトを誤ると、ねじ同士の干渉や、ある絞り孔9に向けてねじ込まれたねじ部材10が別の絞り孔9内を貫通したりするなど、不具合を生じやすくなる。絞り孔9の形成個数は図13では2個であるが、ノズル本体2の壁部外周面側から絞り孔9に向けてねじ部材10をねじこんで衝突部を形成する場合は、液体流路3の中心軸線を挟んで互いに対称な位置関係で2~4個のいずれかで形成するのが最適である。
 次に、図13において、絞り孔9は、それら絞り孔9の軸断面積の合計と等価な円の直径をde、絞り孔9の長さをLとして、L/deにて定義される絞り孔アスペクト比が3.5以下に設定されている。図15において、2つの絞り孔9の内径が互いに異なる一般の場合(d1,d2)は、絞り孔アスペクト比は、L/(d12+d22)1/2となる。図13では、2個の絞り孔9は内径と長さが互いに等しい円筒面をなすように形成されており、2つの絞り孔9の内径をdとして、絞り孔アスペクト比は0.71L/dである。絞り孔アスペクト比L/deの値は、望ましくは3以下であること、より望ましくは2.5以下であるのがよい。
 図13において、ノズル本体2の軸線Oと直交する平面への投影において、隔壁部8の投影領域の中心位置に定められた基準点Oから複数の絞り孔9の内周縁までの距離(絞り孔変位)Tは、該絞り孔9の内径Dよりも小さくなるように、複数の絞り孔9は基準点Oの周りに近接配置されている。絞り孔変位Tは絞り孔9の内径Dの望ましくは1/2以下であるのがよい。さらに、本実施形態では、同じ投影において、複数の絞り孔9の内周縁に対する外接円20の面積をSt、絞り孔9の投影領域の合計面積をSrとしたとき、K≡Sr/Stにて定義される絞り孔集約率Kが0.2以上とされている。
 すなわち、液体処理ノズル151は、以下の条件を充足するものとなっている。
・L/deにて定義される絞り孔アスペクト比が3.5以下;
・絞り孔変位Tが絞り孔9の内径Dよりも小;
・絞り孔集約率Kが0.2以上。
 また、上記の外接円20の面積Stは、隔壁部8の投影面積の90%以上(図13では100%)とされている。隔壁部8にて絞り孔9の外側に形成される流れ遮断領域の面積が小さいので、こうした領域にて特有に発生する流れのよどみや渦流に基づく損失が軽減されている。図13からも明らかなごとく、絞り孔9に対する外接円20の径は、液体入口4の開口径よりも絞られており、液体入口4に続く流入室6の内周面が隔壁部8に向けて縮径するテーパ面13とされている。
 また、図15に示す如く、絞り孔9の衝突部10よりも下流に位置する区間の長さ(以下、残区間という)をLp(Lp2~Lp4の平均値)とし、絞り孔9の軸断面積の合計と等価な前述の円の直径をdeとして、Lp/deにて定義される残区間アスペクト比は1.0以下に設定されている。また、流出室7の内周面も、液体出口5に向けて拡径するテーパ面14とされている。図15では、最も下流側に位置するねじ部材10Aに関しては、残区間の長さがゼロであるが、図16に示す如く、ねじ部材10Aに関し残区間がゼロでない長さLp1を有する場合は、上記残区間長さLpはLp1~Lp4の平均値となる。
 図13の液体処理ノズル151においては、隔壁部8に複数の絞り部を形成し、その前後の流路区間を、該隔壁部8が区画する流入室6ないし流出室7に集約して、それら複数の絞り部により共有化させる構造を採用することにより、流路が複数系統に分岐する区間は隔壁部8に形成された絞り孔9のみとなる。
 この構成によれば、L/deにて定義される絞り孔アスペクト比(図15参照)が3.5以下に設定されており、偏流の原因となる分岐区間の長さ、すなわち、衝突部10を配置する絞り孔9の長さを十分短くできる。また、絞り孔変位T(図13参照)が該絞り孔9の内径Dよりも小さくなる程度に、それら絞り孔9は基準点Oの周りに近接配置されており、高流速となる隔壁部8の中央に集約されている。その結果、絞り孔9内での流速の低下ないし不均一化が抑制され、偏流を確実に防止することができる。すなわち、衝突部10を有する絞り孔9を複数形成することで十分なキャビテーション効果と十分な流量とを両立することができ、かつ、複数の絞り孔9間での偏流が効果的に抑制され、キャビテーション効果に基づいた微細気泡発生を安定に継続することができる。
 さらに、図13の液体処理ノズル151では、Lp/deにて定義される残区間アスペクト比(図15参照)が1.0以下に設定されている。絞り孔9にてそれぞれ衝突部10を通過した液体が流出室7にて合流するまでに、析出気泡を含んだ流れの、流体抵抗の大きい絞り孔9の残区間の通過距離が短くなり、ひいては個々の絞り孔9の衝突部10の下流に生ずる強撹拌領域が流出室7内で一体化するので、気泡の微細化効果がさらに高められる。
 以下、図13の液体処理ノズルの変形例について列挙する。図13の液体処理ノズルとの共通点も多いので、共通の構成要素には同一の符号を付与しつつ、おもにその相違点について説明する。まず、図17に示すごとく、複数の絞り孔9は、前述の投影において、隔壁部8の中心を含む領域において一部重なるように一体形成してもよい。その重なり領域の投影面積が、各々の絞り孔9の面積の30%以内に収まっていることが望ましい。
 図18に示す液体処理ノズル51では、各絞り孔9に配置する4本のねじ部材10の組を、A−A及びB−B断面に示すごとく、各々同一平面上に配置している。図19は、隔壁部8に対して絞り孔9を3つ形成した例である。3つの絞り孔9の間でねじ部材10の流れ方向の位置は互いにずれてS定められている。また、3つの絞り孔9は、前述の投影において、ねじ孔9の内径よりも大きい距離をもって正三角形の各頂点をなす位置に配置されており、十字状の配置をなす4つのねじ部材10の組が、1つの絞り孔9にて残余の絞り孔9の対の側に延びるねじ孔19がそれら絞り孔9の対の間を貫くように、ねじ部材10の組の配置角度が定められている。これにより、すべてのねじ孔19が、絞り孔9と干渉することなく、かつノズル本体2の外周面に開口するように形成できる。
 図20は、衝突部10Fを、ノズル本体2の隔壁部8と一体に射出成型により形成した例を示す。当然、衝突部10Fの材質は射出成型可能な樹脂(たとえばABSやナイロン)となるので、キャビテーションによる摩耗が問題にならない範囲で、流束を制限して使用する必要がある。複数の絞り孔9の衝突部10Fを一体に射出成型するには、すべての衝突部10Fの中心軸線が同一平面上に位置するようにして、流入室を形成するための第一の金型コアと、流出室を形成するための第二の金型コアとの各先端面に衝突部10F及び隔壁部8の成型キャビティを設け、上記平面を分割面としてこれら金型コアを突き合わせた状態で成型を行えばよいのである。
 図21は、隔壁部8に対して絞り孔9を4つ形成した例である。4つの絞り孔9は、それぞれ直径方向に1本のねじ部材10がねじ込まれて衝突部が形成されている。具体的には4つの絞り孔9は、前述の投影において正方形の各頂点をなす位置に配置されており、ノズル本体2の外周面側から各絞り孔9に対し、ノズル本体2の中心軸線Oに向けて絞り孔9の直径方向にねじ部材9がねじ込まれている。なお、ねじ部材10はインサート成型によりノズル本体2に組み込んでもよく、図20と同様に、ノズル本体2とともに衝突部を射出成型により一体化してもよい。
(実施の形態3)
 以下、本発明の液体処理ノズルの使用例(つまり、液体処理方法の実施形態)について説明する。図24は、一般浴室用(あるいは美容室等の業務用)のシャワーホース流路の中間に図1の液体処理ノズル1(図13の液体処理ノズル151、あるいは図18の液体処理ノズル51でもよい:以下、同じ)を接続し、シャワーヘッドから処理済みの温水(すなわち、微細気泡を含有した温水)を噴射できるようにした使用例である。図1のノズル本体2には液体入口4側に流入側接続部16として、図24の湯水混合栓408に液体処理ノズル1を、流入側ホース405を介して接続するための第一のホース接続ねじ部(以下、符号16を援用する)が、液体出口5側に流出側接続部17として、シャワーヘッド401と液体処理ノズル1とを流出側ホース402により接続するための第二のホース接続ねじ部(以下、符号17を援用する)が、それぞれ形成されている。各ねじ部16,17は、おねじ部(たとえば、R1/2ないしG1/2)として形成され、ホース402及び405は、水栓金具403、404、406及び407を介して、シャワーヘッド401、液体処理ノズル1及び湯水混合水栓408に接続されている。この状態で湯水混合栓408を開けば、温水が液体ノズル1に供給されシャワーヘッド401から噴射される。気泡発生機能を有さない既存のシャワーヘッドを用いても、液体処理ノズル1を通過する際に微細気泡が大量に温水中に混入でき、人体皮膚や髪に対する水の浸透性を高めて保湿性を向上したり、頭皮や体表面の汚れを効果的に落としたり、といった効果を享受できる。そして、シャワーホースの中間にノズル1が接続されていても、偏流の影響を受けにくく、微細気泡発生効果を安定的に享受することができる。
 図25は、液体処理ノズル1をトイレ洗浄に利用する例をしめすものである。トイレの便器105には洗浄水供給配管103が接続され、該配管103を経て洗浄水109が便器内面に沿って供給・流下することにより洗浄を行う。本発明の液体処理ノズル1は洗浄水供給配管103の途上に設けられ、該配管内の洗浄水は該液体処理ノズル1を通過する際に微細気泡含有水109となったのち便器105に供給され、便器105及び便器105の汚水排管107,108を洗浄する。これにより、便器105や汚水排管107,108を長期にわたって清浄に保つことができ、尿石等の付着・堆積も生じにくくなる。
 図25の事例では便器105は小便器として構成され、洗浄水供給配管103の途上で便器105の使用者を検知できる位置には周知のセンサ付バルブユニット104が設けられている。上方に設けられた洗浄水タンク101に水道配管102からの浄水が貯留されるとともに、供給配管103は該洗浄水タンク101に接続されている。センサ付バルブユニット104は、便器105に接近する使用者の検知状態を所定時間以上継続した場合に、待機状態から洗浄準備状態に遷移する。洗浄準備状態では、該使用者が便器105から離間して非検知状態になるに伴いバルブを開状態として便器105内に必要量の洗浄水を流下させ、その後バルブを再び閉状態として洗浄待機状態に戻る。便器からの排水とともに汚水管108に集約され、下水道ないし浄化槽等に向け排出される。洗浄後の排水は便器105の下側に連通する個別排水管107を通り、図示しない他の便器からの排水とともに汚水管108に集約され、下水道ないし浄化槽等に向け排出される。
(実施の形態4)
 次に、本発明の液体処理ノズルを用いたガス溶解方法の具体的な実施形態について説明する。図26は、図1の液体処理ノズル1と処理コア部COREを同様に構成しつつ、これにガス溶解機能を付加した液体処理ノズルの一例を示すものである。液体処理ノズル171は、そのノズル本体2に、該ノズル本体2の外周面に開口し、図1を援用して示すごとく、複数の衝突部10よりも上流にて絞り孔9に連通するガス導入孔28を形成したものである。
 液体処理ノズル171の液供給口3に液体を供給すると、図5と同様に衝突部10の周辺及び直下流域に非常に顕著な強撹拌領域SMが形成される。この状態で、図1のガス導入孔28に溶解するべきガスを導入し、液体とガスとの混相流として処理コア部COREに供給すると、混相流を形成するガスは衝突部10の下流の強撹拌領域SM(図5)に巻き込まれることで液体との混合が顕著に進み、ガス溶解をきわめて効率的に行うことができる。衝突部10の下流域に強撹拌領域SMを形成する要因は、液体入口4から供給される液体中にもとから溶存しているガスのキャビテーションによる減圧沸騰析出である。溶存ガスの減圧沸騰により衝突部10の下流域には微細渦流FEを無数に伴う形で形成される強撹拌領域SMが形成され、ガス導入孔28から導入されるガスがこれに巻き込まれることで、減圧沸騰で損なわれるガス量を桁違いに上回る規模によりガスの撹拌・溶解が進行する。そして、液体に溶解しきれなかったガスも、浮上速度の非常に小さい微細気泡として液中に留まり、微細気泡特有の種々知られている効果(たとえば、洗浄効果、液体の浸透性促進効果など)がガスの種別に応じて発揮されることとなる。また、同一のガスが溶存ガスと微細気泡の両方の形態で液体中に共存することで、溶存ガスを含有しない雰囲気に暴露したとき、溶存ガスのみが存在する液体と比較して、見かけの溶存ガス濃度の減少速度が低下して高濃度の状態をより長時間維持するようになる。
 なお、図1の液体処理ノズル1のように、ノズル本体2にガス導入孔を設けない構成を採用し、液体入口4よりも上流の液供給経路上にてガスを流入させ、混相流となす方式としてもよい。
 次に、図27の液体処理ノズル71は、図13と同様の構成において、図14を援用して示すごとく、各絞り孔9において、同一平面上で互いに直交する位置に配置されたねじ部材10の対が、流れ方向において互いに異なる位置(図中、上側の絞り孔9については下流側のA及びBの位置に、下側の絞り孔については上流側のC及びD位置)に配置されている。図27において、ガス導入孔28は、2つある絞り孔9のうち、ねじ部材10が下流側であるAないしB位置に取り付けられている図面上側のノズル孔9に対し、最も下流のねじ部材10A位置よりも上流側に開口するように、ノズル本体2の壁部に対し半径方向に孔設されている。ガス導入孔28のノズル本体2の外周面側の開口にはガス供給管を接続するためのガス導入用継手30を取り付けるためのめねじ孔29が形成されている。図27では、ねじ部材の対10A及び10Bのいずれよりも上流にてガス導入孔28が開口しているが、ねじ部材の対10A及び10Bの流れ方向の配置間隔を広げ、両者の中間位置にガス導入孔28を開口させてもよい。
 図26及び図27のいずれに構成においても、ガス導入用継手30(ガス供給部)にガス供給配管を接続すれば、絞り孔9内に溶解するべきガスを簡単に導入することができる。図27の構成においては、液体処理ノズル71のノズル本体2の両端部は、図示しないワンタッチ管継手を接続するための、ストレート形状の流入側接続部26及び流出側接続部27とされており、ガス導入用継手30を接続する軸線方向中間部は、流入側接続部26及び流出側接続部27よりも径大の鍔状部2aとされている。
 液体処理ノズル71もまた、図13のノズル151と全く同様に、隔壁部8に形成する絞り孔9の絞り孔アスペクト比が3.5以下に設定され、絞り孔変位が絞り孔9の内径Dよりも小さくなるよう、隔壁部8の中央付近(基準点周り)に近接配置されている。また、絞り孔9の衝突部10よりも下流に位置する残区間の長さLpは、前述の残区間アスペクト比が1.0以下となるように設定されている。この実施形態では、2つある絞り孔9,9の一方にしかガス導入孔28が形成されていないから、溶解するべきガス相はもっぱら片方の絞り孔9に偏って供給される。
 しかし、絞り孔アスペクト比が3.5以下に設定されていることで処理コア部CORE全体での流量損失は小さく、ガス導入される側の絞り孔9内の流れF2においても、ガスが導入される分だけ他方の絞り孔9内の流れF1よりは流量は低くなるものの、これが過度に損なわれることがない。そして、残区間長さLpが小さくなっていることで、導入されたガスを衝突部10の下流で合体・拡大した強撹拌領域に速やかに導くことができる。つまり、ガスが非導入となる絞り孔9側で主に作られる強撹拌領域SMを、流出室7にてガス導入側となる絞り孔9からの流れが共有できるのである。ガスが片方の絞り孔9に偏って流れ込む形になっているにも拘わらず、極めて効率的なガスの溶解・粉砕が可能である。
 ガス導入孔28は、もちろんすべての絞り孔9に対して設けてもよく、この場合は、ガスは各絞り孔9(の衝突部10)に対して分配されつつ供給される。また、ここでも、図13のように、ノズル本体2にガス導入孔を設けない構成を採用し、液体入口4よりも上流の液供給経路上にてガスを流入させ、混相流となす方式としてもよい。この方式では、ガスの供給に際して絞り部での減圧吸引効果は利用できないので、ガス供給圧力を若干高める必要はあるが、液体処理ノズル1の各絞り孔9に均一にガスを供給しやすい利点がある。また、絞り孔9の上流にて流入室6にガス導入孔を設ける構成も可能である。
 本発明のガス溶解方法では、最も簡易には、液体処理ノズルに対し液体を1パスだけ流通させつつガスを溶解させる方式を採用することができる。図28に、該方式を具現化できる本発明のガス溶解装置の一例を示し、図29にその使用例を示す。ガス溶解装置200は、混相流供給手段をなす液供給部が、外部の液供給源(たとえば水道や給湯器の湯水混合栓408(図27))につながる液供給管(流入側ホース)405(図27)を接続するための液供給管接続部202B(取付ねじ部202rを有する)にて構成される。液供給管接続部202Bの先には図20の液体処理ノズル71が設けられ、その液体出口からは液体処理ノズル71(あるいは、図1を援用して示す液体処理ノズル171でもよい)にてガスを1パスにて溶解させたガス溶解済み液体が流出するようになっている。該液体出口5側にガス溶解済み液体の排出管(流出側ホース)408(図29)を接続するための液排出管接続部202A(取付ねじ部202rを有する)が設けられている。簡易な1パスによるガス溶解装置200であるが、本発明の液体処理ノズルを用いることにより、高濃度にガスを溶解することができるようになる。
 以下、ガス溶解装置200の詳細についてさらに説明する。ガス溶解装置200は本体ケース201を備え、その表面に金属製のねじ付管継手で構成された液排出管接続部202Aと液供給管接続部202Bが取り付けられている。液供給管接続部202Bには内部液配管205が接続され、さらに流れセンサ(フロースイッチ)204及び管継手203を介して図20の液体処理ノズル71の液体入口側が接続される一方、液体処理ノズルの液体出口側が液排出管接続部202Aにつながっている。
 本体ケース201の表面には、外部のガス供給源につながるガス供給配管を接続するためのガス供給口継手211が取り付けられている。そして、液体処理ノズル71のガス導入用継手30とガス供給口継手211とは、ガス供給配管210により互いに接続されており、その途上には液体処理ノズル71側から逆止弁207、電磁バルブ208及び圧力センサ209がこの順序で配置されている。逆止弁207は、ガス供給配管210内のガス供給流が途絶えた場合に、液体処理ノズル71側からの液体流の逆流を防止するためのものであり、電磁弁208はガス供給配管210内のガス供給流を遮断状態と供給状態との間で切り替えるためのものである。また、圧力センサは、ガス供給配管210内のガス圧を検知して、ガス供給流の有無を判断するためのものである。
 本体ケース201内には、さらに電源回路213、ガス供給配管210内のガス供給流を遮断状態と供給状態との間で切り替え制御するガス供給制御手段をなす制御基板212が設けられ、本体ケース201の表面には電源スイッチ214と、電源ランプ215が取り付けられている。電源スイッチ214からのスイッチ信号SS、流れセンサ204及び圧力センサ209からの検知信号SF及びSPは制御基板212に入力される。また、制御基板212にはガス流制御操作部216からの操作信号も入力される。電源回路213は電源コード217c及及び電源プラグ217(あるいはプラグ付ACアダプタ)を介して商用電源から駆動電源電圧を受電し、制御基板に各所の駆動電圧や信号源電圧を出力する。
 制御基板212は次のような制御動作を行う。
(1)電源スイッチ202がオンとなるに伴い電源電圧の受電を検知し、電源ランプ215を点灯させる。
(2)以下のa~cのすべての条件が成立している場合に、電磁弁208に駆動信号SVDを出力し、電磁弁208を開状態に駆動する(これにより、液体処理ノズルにガス供給配管210を介してガスが供給される)。
a.流れセンサ204が、内部液配管205内の液体流れを検知している検知信号SFを出力していること、
b.圧力センサ209がガス供給配管210内のガス供給圧力の検知信号Spを出力していること、及び、
c.ガス流制御操作部216がガス供給を許可する操作状態となっていること。
(3)(2)のa~cのどれか一つでも不成立になっている場合は、電磁弁208を閉状態に保つ。
 図28のガス溶解装置200の使用例と、その場合の動作について図29により説明する。ここでは、ガス溶解装置200の適用先が美容室等の洗髪台であり、ガスとして炭酸ガスを用い、該炭酸ガスを溶解した洗髪用温水をシャワー401から供給する形態を例にとる。給湯器の湯水混合栓408とガス溶解装置200の液供給管接続部202Bは水栓金具406及び407により液供給管をなす流入側ホース405を介して接続されている。また、シャワーヘッド401とガス溶解装置200の液排出管接続部202Aとは、水栓金具403及び404により排出管としての流出側ホース402を介して接続されている。そして、ガス供給源となる炭酸ガスボンベ410の減圧弁411とガス溶解装置200のガス供給口継手211とがガス供給チューブ412により接続されている。
 図28のガス溶解装置200は次のように動作する。
 電源スイッチ214がオンになっており、炭酸ガスボンベ411のバルブが開となっている場合、この状態で湯水混合栓408を開けば、温水がガス溶解装置200に供給されシャワーヘッド401から噴射される。このとき、図28の流れセンサ204は温水の流れを検知し、圧力センサ209はガス供給配管210を経て供給される炭酸ガス圧を検知しているので、制御基板212には液体流れの検知信号SFとガス供給圧力の検知信号SPが入力されている。したがって、この状態で、ガス流制御操作部216がガス供給を許可する操作状態となれば制御基板212は駆動信号SVPを電磁弁208に出力し、これを受けて電磁弁208が開き、温水が流れ込む液体処理ノズル71に炭酸ガスが供給され、溶存炭酸ガスと微細気泡とを含んだ温水となってシャワーヘッド401から噴射される。他方、ガス流制御操作部216におけるガス供給を許可する操作状態が解除されれば制御基板212は駆動信号SVPの出力を停止し、電磁弁208が閉じて液体処理ノズル71への炭酸ガスの供給が止まる。その結果、溶存空気による微細気泡のみを含んだ温水がシャワーヘッド401から噴射される。
 液体処理ノズル1を、液体出口側を開放して液体入口に動圧が0.1MPaとなるように水を流通させたとき、液体出口から流出する水流量をQとし、処理コア部の全流通断面積Stにてこれを規格化した水流束Q/Stを0.5L・mm/分以上確保できるように構成しておけば(標準構成)、炭液体入口側の動水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、炭酸ガス/水流量比Q1/Q2を0.1以上1.0以下(ただし、ガス流量は圧力0.1MPa換算での体積流量)として、液体処理ノズルに水及び炭酸ガスを1パス供給すれば、炭酸ガスを水に対し溶解効率40%以上にて溶解することができる。
 この実施形態では、ガス流制御操作部216はフットスイッチとして構成され、該フットスイッチ216を足により付勢した状態がガス供給を許可する操作状態として定められている(もちろん、逆であってもよい)。たとえば、美容師等の洗髪作業者は、シャワーヘッド401を握って顧客等の洗髪を行う際に、フットスイッチ216を踏んでいる期間は炭酸ガスが供給され、フットスイッチ216から足を外せば炭酸ガスの供給が直ちに停止する。したがって、フットスイッチ216の操作により炭酸微細気泡水と非炭酸微細気泡水との使用の切り替えを速やかにきめ細かく行うことができるのである。
 炭酸微細気泡水のモードでは、頭皮への炭酸ガス浸透による血行促進効果(ひいてはそれに伴うリラックス効果:いわゆるヘッドスパ効果)が得られること、また、髪のキューティクルを開いて水分を髪にしみ込みやすくする作用などが顕著である。さらに、アミン系の毛染め剤を使用して毛染め作業を行う場合、炭酸微細気泡水で毛染め剤を洗い流すことにより、アルカリ反応による髪へのダメージを炭酸による中和効果で和らげたり、また、長い髪でも均一に美しく染め上げたりすることができる、といった利点を享受できる。他方、皮脂や頭皮汚れ、毛穴を埋める角栓質の除去といった洗浄効果や、髪の保湿性アップ、さらには作業者の皮膚保湿の維持による手荒れ防止などの効果は、微細気泡が主体となって発揮されるものであり、炭酸微細気泡水と非炭酸微細気泡水とのいずれのモードでも享受できる。また、皮脂汚れが特に強い場合には、温水のpHが酸性に傾いていないほう、つまり非炭酸微細気泡水のほうが皮脂の除去効果が顕著であるとの報告もある。炭酸微細気泡水モードでは当然炭酸ガスの消費が伴うから、上記炭酸特有の効果が特に必要でない状況では非炭酸微細気泡水を使うことにより、炭酸ガス消費を抑えるほうが経済的である。このように、炭酸微細気泡水と非炭酸微細気泡水との各モードは、シーンに応じて適宜使い分けることが望ましいといえる。
 次に、図29において湯水混合栓408を閉じると、図28の電磁弁208が自動的に閉じ、炭酸ガスボンベ410のバルブが開いていても、無駄な炭酸ガスがシャワーヘッド401から流失する恐れがない。また、炭酸ガスボンベ410が空になった場合は、圧力センサ209によりガス圧力低下が検知され、同様に電磁弁208が閉じる。これにより、非炭酸微細気泡水モードで温水の使用を継続している場合でも、ガス供給配管210を経由して炭酸ガスボンベ410側へ水が逆流する心配がない。逆止弁207も水の逆流を防止するように作用するはずであるが、チェックバルブ式の市販のガス用逆止弁の多くは低圧の液体の逆流は止められないことが多く、電磁弁208を用いて確実に逆流防止を図ることが有効である。
(実施の形態4)
 図30のガス溶解装置260は、液体処理ノズルから流出した液体を、ポンプを介して再びノズルに戻して循環させながらガス溶解するようにした例を示すものであり、図31はその使用例を示すものである。混相流供給手段(具体的には、その液供給部)は、液体を貯留する液体貯留部430から液体処理ノズル71(図30)を経て液体貯留部430に戻る循環配管422,425と、該循環配管422,425により液体貯留部430内の液体を、ガス供給部410からのガスと混合しつつ液体処理ノズル71(図30)を流通させたのち液体貯留部430内に戻す形で循環送液させる送液ポンプ218とを備えるものとして構成されている。
 図30に戻り、ガス溶解装置260の構成についてさらに説明する。該ガス溶解装置260は、内部液配管205の途上に送液ポンプ218を組み込んだ点を除くと、図28のガス溶解装置200と同一の構成を有するので、以下、主にその相違点についてのみ説明し、共通する構成要素には図28と同一の符号を付与して、詳細な説明は省略する。すなわち、該構成では、内部液配管205がポンプ入口側の第一配管205Aとポンプ出口側の第二配管205Bとに分割され、それぞれ送液ポンプ218の吸入側と吐出側に接続されている。該送液ポンプ218は電源回路213より駆動電圧を受電する。
 また、図28のフットスイッチは省略されており、制御基板212は次のような制御動作を行う。
(1)電源スイッチ202がオンとなるに伴い電源電圧の受電を検知し、電源ランプ215を点灯させる。
(2)以下のa、bの条件がいずれも成立している場合に、電磁弁208に駆動信号SVDを出力し、電磁弁208を開状態に駆動する(これにより、液体処理ノズルにガス供給配管210を介してガスが供給される)。
a.流れセンサ204が、内部液配管205内の液体流れを検知している検知信号SFを出力していること、
b.圧力センサ209がガス供給配管210内のガス供給圧力の検知信号Spを出力していること、及び、
(3)(2)のa,bのいずれかが不成立になっている場合は、電磁弁208を閉状態に保つ。
 図30のガス溶解装置260の使用例を、その場合の動作とともに図31により説明する。ガス溶解装置260の適用先は風呂であり、液体貯留部としての浴槽430内の温水をガス溶解装置260により循環させつつ、ガスとして炭酸ガスを溶解させた、いわゆる炭酸風呂として活用するものである。ガス溶解装置260の液供給管接続部202Bには、浴槽430内の温水をガス溶解装置260に戻す、前述の循環配管の一部をなす戻り側配管425が接続されている。また、ガス溶解装置260の液排出管接続部202Aには、浴槽430内にガス溶解装置260にてガスを溶解済みの温水を吐出する、循環配管の一部をなす吐出側配管422が接続されている。そして、ガス供給源となる炭酸ガスボンベ410の減圧弁411とガス溶解装置260のガス供給口継手211とがガス供給チューブ412により接続されている。
 図31において、まず浴槽430に対し図示しない給湯器から温水を満たす。そして、炭酸ガスボンベ411のバルブを開とし、電源スイッチ214(図30)をオンにする。すると、ポンプ218が動作を開始し、浴槽430内の温水を、戻り側配管425を経て吸い込み、液体処理ノズル71を通過させつつ吐出側配管422を経て浴槽430に戻すように循環流動させる。このとき、図30にて、流れセンサ204は温水の流れを検知し、圧力センサ209はガス供給配管210を経て供給される炭酸ガス圧を検知しているので、制御基板212には液体流れの検知信号SFとガス供給圧力の検知信号Spが入力されている。したがって、制御基板212は駆動信号SVPを電磁弁208に出力し、電磁弁208が開いて液体処理ノズル71に炭酸ガスが供給され、溶存炭酸ガスと微細気泡とを含んだ温水となって循環が継続される。図31に示すごとく、炭酸ガスの供給を継続しながらの循環となるため、循環時間の経過とともに浴槽430内の温水の炭酸ガス濃度は増加する。そして、好みの炭酸ガス濃度となったところで電源スイッチ214をオフにすると、循環が停止する。すると、図26の電磁弁208が自動的に閉じ、炭酸ガスボンベ410のバルブが開いていても、無駄な炭酸ガスが流失する恐れがない。
 この状態で入浴すると、炭酸ガスを用いた場合は、皮膚への炭酸ガス浸透による血行促進効果が得られることは周知のとおりである。しかし、微細気泡が多量に含有されていることにより、皮膚の保湿性向上や汚れ落としの効果も合わせて達成される。また、炭酸ガスが微細気泡としても含有されていることにより、装置260による循環を停止した後も、溶存炭酸ガス濃度が長時間持続する利点も生ずる。
 一方、炭酸ガスボンベ410が空になるか、炭酸ガスボンベ410のバルブが閉じられると、圧力センサ209によりガス圧力低下が検知され、同様に電磁弁208が閉じる。このとき、電源スイッチ214がオンになっていると、炭酸ガスが供給されない状態で浴槽430内の温水が循環されるが、この場合は浴槽430内の温水は微細気泡含有水となる。なお、炭酸ガスボンベ410に替えて水素ボンベ420を用いれば、水素風呂として活用することも可能である。
 (実施の形態4)
 図32は、本発明の液体処理ノズルを用いて液体を循環させつつ、これに窒素あるいは酸素を溶解させる場合の装置の例を示している。該装置550において原料水(水溶液やコロイド溶液も概念として含む)502はタンク501に貯留されるとともに、該タンク501から延出する原料水供給配管51の途上に、エジェクタ等で構成されるガス導入部219、送液ポンプ505及び図1の液体処理ノズル1(図13の液体処理ノズル151、図18の液体処理ノズル51でもよい)がこの順序で設けられている。ガス導入部219には減圧弁411及びガス供給チューブ412を介してガス供給源としての窒素ボンベ430から窒素ガスが供給されるようになっている。タンク501から延出する配管507は、タンク側出口506からガス導入部219、送液ポンプ505及び液体処理ノズル1を経てタンク側入り口508に戻る循環配管として形成されている。
 送液ポンプ505を動作させると、タンク501からの原料水はガス導入部219にて窒素ボンベ430から窒素ガスが供給されて水/窒素ガスの混相流となり、送液ポンプ505で窒素ガス相が予備粉砕された後、液体処理ノズル1にて窒素ガスの溶解及び微細気泡への粉砕処理がなされ、タンク502に戻る。以降、タンク内の水502は循環しながら窒素ガスの溶解及び微細気泡への粉砕が継続され、窒素ガスの溶存濃度あるいは微細気泡の形成濃度が高められることとなる。こうして得られる循環水は、タンクに設けられたバルブ504を有する取出口503から回収される。これにより、原料水502の窒素溶解処理、ひいてはそれによる脱酸素処理が可能となる。窒素ガスの溶解効率が高くなることにより、より少ない窒素ガス流量及び循環時間にて、原料水502の酸素濃度を低減することができる。
 また、窒素濃度が飽和値に到達した後も窒素ガスを供給しながら循環を継続すると、溶存窒素濃度は頭打ちとなるが、微細気泡の形成濃度は増加し続ける。その結果、たとえば加圧等により窒素ガスを溶存させただけの水と比較して、溶存窒素濃度自体には大きな差は見られないが、循環停止後に水を大気開放して放置したときの高溶存窒素濃度の持続時間は、微細気泡窒素(窒素ナノバブルあるいはコロイド状窒素)を多量に含む分、窒素ガスを溶存させただけの水よりも相当長くなる。その結果、低溶存酸素濃度状態を長期間保つことができるようになる。液体処理ノズル1が前述の標準構成となっていることで、液体処理ノズル1の入口側でのポンプ送水圧をたとえば0.015MPa以上0.3MPa以下、窒素/水流量比Q1/Q2を0.1以上0.3以下として、たとえば高々3循環程度までで、水の溶存酸素濃度を1ppm以下とすることができる。このような酸素低減水は生成食品の洗浄(特に野菜洗浄機)に導入することで、酸素により酸化が抑制されることから、洗浄される食品の鮮度向上に大きく貢献する。また、酸素低減水を凍結して得られる氷は窒素氷と称され、鮮魚などの低温保存に使用することで、これもその鮮度維持等に大きな威力を発揮する。また、原料水502を、酒やワインなどのアルコール飲料とすることも可能である。その結果、循環前に溶存していた酸素が窒素置換により排出され、アルコール飲料の酸化防止を図ることができる。これにより、飲料の酸化防止に添加されていた亜硝酸塩等の酸化防止剤の添加量を削減したり、あるいは廃止したりすることが可能となる。そして、窒素微細気泡が大量に導入される結果、アルコール飲料中の酸素濃度はその後も上昇しにくくなり、長期にわたる品質保持も可能となる。なお、窒素に代えて水素を用いることも可能である。
 また、図32において、窒素ボンベ430に替えて酸素ボンベ440を用いると、原料水502の酸素溶解処理が可能となる。少ない酸素ガス流量及び循環時間にて溶存酸素濃度を顕著に上昇させることができる。タンク501に替えて、魚の飼育槽や、活魚(貝類も含む)を養生するための生簀とすることもでき、魚や貝などの酸素消費体が存在していても、より少ない酸素ガス流量にて高溶存酸素濃度を維持でき、ひいては魚や貝の鮮度維持、あるいは飼育密度の向上などに大いに貢献する。ガスとしては純酸素を用いてもよいし、元から酸素が欠乏する原水を使用する場合は、空気など窒素と酸素の混合ガスを用いてもよい。標準構成の液体処理ノズルを用いる場合は、前述の構成の混相流を形成するための酸素流量をQ1、水流量をQ2としたとき、液体処理ノズル1の入口側でのポンプ送水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、酸素/水流量比Q1/Q2を0.1以上0.3以下として循環供給することにより、水の溶存酸素濃度を10ppm以上40ppm以下に上昇させることができる。なお、酸素ガス源あるいは窒素ガス源には、ボンベ以外にも、PSA(Pressure Swing Adsorption)方式による酸素濃縮器あるいは窒素濃縮器を用いてもよいし、大規模にガス溶解を実施する場合は液体酸素ないし液体窒素を利用する気化式ガス発生装置を利用することも可能である。
 図33の装置560は、図32の装置を、オゾンの循環溶解が可能となるように変形したものである(図32の装置550と共通の部分には同じ符号を付与し、説明は省略する)。まず、オゾン発生源として、原料となる酸素ガスの供給源、ここでは酸素ボンベ440と、該酸素ボンベからの酸素をオゾン化するオゾン発生器(オゾナイザ)563とを有し、ガス供給チューブ412にはオゾン発生器563より、たとえば濃度10ppm以上100ppm以下のオゾン含有ガス(オゾン以外の部分はオゾン化しなかった酸素)が供給される。図32と同様に循環処理を行うことにより、原料水を、オゾン/酸素混合気の微細気泡を含有したオゾン水とすることができる。標準構成の液体処理ノズルを用いる場合は、前述の構成の混相流を形成するためのオゾン流量をQ1、水流量をQ2としたとき、液体処理ノズル1の入口側でのポンプ送水圧を0.015MPa以上0.3MPa以下、オゾン含有ガス/水流量比Q1/Q2を0.1以上0.3以下として循環供給することにより、水の溶存オゾン濃度を、例えば1ppm以上(上限に制限はないが、例えば20ppm以下)に上昇させることができる。なお、循環させる気液混相流中のガス相は大半が酸素であるから、溶解しなかった廃酸素/オゾン混合気(以下、廃オゾンガスという)は、タンク501内にて浮上する。そこで、本実施形態では、この浮上する廃オゾンガスをオゾン発生器に戻して再利用する廃オゾンガス帰還経路413が設けられており、酸素及びオゾンの有効利用が図られている。なお、酸素源としては空気を用いることも可能である。
 溶存オゾン水は一般に、大気に暴露した場合(特に、紫外線の照射下)に、オゾンの分解により、たとえば5ppm程度の溶存オゾンは数分程度で消失することが知られている。しかし、本発明の方法を用いると、オゾンを溶解させる場合においても、得られるオゾン水にはオゾンを含有した微細気泡が多量に含有される。これにより、大気に暴露した場合の溶存オゾン濃度の持続時間を飛躍的に高めることができるようになる。
(実施の形態5)
 炭酸ガスを溶解する場合、水としては、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を使用することもできる。これにより、次亜塩素酸ナトリウム水溶液のpH値が例えば4.3~6前後の弱酸性に保たれ、殺菌や消毒に有効な解離状態の次亜塩素酸濃度を大幅に高めることができるとともに、炭酸特有のpH緩衝作用によりpH値の変動も小さくすることができる。次亜塩素酸ナトリウム水溶液は、次亜塩素酸イオン濃度が10ppm以上1000ppm以下(30ppm~200ppm以下が特に望ましい)であり、炭酸ガスの溶解濃度は200ppm以上1500ppm以下である。
 たとえば、目標濃度の次亜塩素酸ナトリウム水溶液をあらかじめ用意し、これを図示しないタンク等に貯留して、図28のガス溶解装置200の液流入管接続部202B側から外部ポンプ等を用いて送液して炭酸ガスを溶解させ、次亜塩素酸ナトリウム水溶液のpHを4.3~6に調整した後、液排出管接続部202A側から取り出して消毒等に用いることができる。
 一方、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いず、通常の水に図28のガス溶解装置200を用いて炭酸ガスを溶解し、追って次亜塩素酸ナトリウム水溶液を添加するようにしてもよい。このようにすると、特に液体処理ノズルの衝突部(ねじ部材)の材質に要求される耐化学薬品性を大幅に軽減することができる。この場合、液排出管接続部202A側から取り出した炭酸ガス溶解済みの水に、目標濃度よりも高濃度の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を添加することにより、pH調整済みの次亜塩素酸ナトリウム水溶液として用いることが可能である。
 一方、図30のガス溶解装置260において、液体処理ノズルから送出される炭酸ガスが溶解した水に対し、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を定量供給する次亜塩素酸ナトリウム水溶液供給部を組み込んだ装置を構成することも可能である。図34の装置270はその一例を示すものであり、次亜塩素酸ナトリウム水溶液供給部310は、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を保持する水溶液タンク311と、液体処理ノズル71の下流に組み込まれた水溶液供給ノズル317と、水溶液タンク311の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を水溶液供給ノズル317に定量送液する送液ポンプ312とを有する。この実施形態では、水溶液供給ノズル317はティー継手(ベンチュリ型のエジェクタでもよい)を用いて構成し、その分岐開口に液導入用継手330が取り付けられ、水溶液タンク311からの液供給配管314が送液ポンプ312を介して液導入用継手330に取り付けられている。その余の構成及び基本動作については図28と同じであり、共通する構成要素には図26と同一の符号を付与してある。
 電源スイッチ214をオンにすると、ポンプ218が動作し、液流入管接続部202B側から原料水を取り込みつつ図29と同一の動作にて液体処理ノズル71により炭酸ガスが溶解する。これと同時に送液ポンプ312が動作し、液体処理ノズル71下流側で水溶液供給ノズル317から次亜塩素酸ナトリウム水溶液が定量注入される。送液ポンプ312の流量は、添加する次亜塩素酸ナトリウム水溶液の濃度と、ポンプ218が送液する原料水の流量に応じ、液排出管接続部202A側で得られる次亜塩素酸イオン濃度が10ppm以上1000ppm以下となるように設定される。
 なお、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の注入中に、炭酸ガスの供給・停止を手動又は自動により切り替え可能に構成することも可能である。図35においては、二点鎖線で示すごとく、切り替えスイッチ331を追加し、その切り替え信号Scを受けた制御基板201が、図28の装置200におけるフットスイッチ216の作用と同様に電磁弁208の開閉を行い、炭酸ガスの供給・停止を切り替える。このようにすると、炭酸ガスの供給モードでは液排出管接続部202Aからは殺菌性の高い弱酸性次亜塩素酸水が得られ、炭酸ガスの停止モードでは洗浄性の高いアルカリ性の次亜塩素酸ナトリウム水溶液(つまり、タンク311内の次亜塩素酸ナトリウム水をポンプ218が送液する原料水で希釈しただけのもの)が得られる。たとえば、炭酸ガスの停止モードで得られるアルカリ性の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いて先に油脂やタンパク系の汚れを洗浄・除去した後、炭酸ガスの供給モードに切り替えて弱酸性次亜塩素酸水により除菌処理を行うなど、より高水準の衛生維持に貢献できる。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross section of a liquid processing nozzle and a side surface on the liquid inlet side, showing the first embodiment of the present invention. The liquid processing nozzle 1 includes a nozzle body 2 in which a liquid channel 3 is formed. The nozzle body 2 is formed in a cylindrical shape, and a liquid passage having a circular cross section is formed in the direction of the central axis O thereof. The liquid channel 3 has a liquid inlet 4 at one end (right side in the drawing) and a liquid outlet 5 at the other end, and has a diameter smaller than that of the liquid inlet 4 and the liquid outlet 5 at an intermediate position in the flow direction. A throttle hole 9 is formed. The liquid flow path 3 has an inflow chamber 6 on the liquid inlet 4 side than the throttle hole 9 and an outflow chamber 7 on the liquid outlet 5 side, and a collision portion 10 is provided in a protruding form from the inner surface of the throttle hole 9. The core part CORE is formed.
FIG. 2 is an enlarged view when the throttle hole 9 is viewed from the side, and the collision part 10 is formed so that a plurality of crests 11 in the circumferential direction and troughs 12 as high flow velocity parts are alternately connected to the outer peripheral surface. Yes. In this embodiment, the collision part 10 is a screw member (hereinafter, also referred to as “screw member 10”) whose leg end side protrudes into the flow path, and as a result, a plurality of ridges 11 formed in the collision part. Are integrally formed in a spiral shape.
The material of the nozzle body 2 is, for example, a resin such as ABS, nylon, polycarbonate, polyacetal, or PTFE, but may be a metal such as stainless steel or brass, or a ceramic such as alumina, and is appropriately selected depending on the application. The material of the screw member 10 is, for example, stainless steel. However, depending on the application, a heat-resistant alloy such as titanium, hastelloy, or Inconel (both are trade names) having higher corrosion resistance may be used. In case of a problem, it is possible to use a ceramic material such as quartz or alumina. In particular, it is preferable to use quartz for application to a field that dislikes metal contamination (for example, the semiconductor field), and the nozzle body 2 made of resin is preferably made of PTFE, for example.
In the processing core part CORE in FIG. 1, the set of collision parts formed in the throttle hole 9 protrudes into the throttle hole 9 from the outer peripheral surface side of the wall part with respect to the screw hole 19 formed in the nozzle body 2. It is formed by four screw members screwed in. The setting between the screw hole 19 and the screw member 10 is fixed by an adhesive or the like. As shown in FIG. 2, a main flow region 21 is formed between the screw member (impact portion) 10 and the inner peripheral surface of the throttle hole 9. In each throttle hole 9, a liquid flow gap 15 is formed at the center position of the cross formed by the four collision portions 10. The front end surfaces of the four collision portions 10 forming the liquid flow gap 15 are formed flat, and the liquid flow gap 15 is formed in a square shape in the above-described projection.
Next, in FIG. 2, the total area inside the outer peripheral edge of the projection region of the liquid flow path in the processing core part, here, the area of the circular axis cross section of the throttle hole 9 in FIG. 4) is S1, and the projected area of the collision part 10 (four screw members) is S2, and the total flow cross-sectional area St of the processing core part is
St = S1-S2 (unit: mm 2 )
Define as In this embodiment, the total area of the main flow area 21 and the liquid flow gap 15 corresponds to the total flow cross section St. As shown in FIG. 1, the opening diameters of the liquid inlet 4 and the liquid outlet 5 are larger than the inner diameter of the throttle hole 9. That is, the cross-sectional areas of the liquid inlet 4 and the liquid outlet 5 are set larger than the total flow cross-sectional area St. Further, the inner peripheral surfaces of the inflow chamber 6 and the outflow chamber 7 connected to the throttle hole 9 are tapered portions 13 and 14, respectively.
FIG. 3 is the same projection view as FIG. 2, and the reference numerals are omitted (therefore, the reference numerals of the respective parts are the same as those in FIG. 2). The depth h of the valley portion 21 that appears in the projected outline of the screw member (impact portion) 10 is secured to 0.2 mm or more. Further, a circle drawn with a radius corresponding to 70% of the distance from the projection point of the central axis O to the inner peripheral edge of the liquid channel is a reference circle C. 70 Among the valley points representing the bottom position of the valley portion 21, the reference circle C 70 N is the number of items located inside (hereinafter referred to as 70% valley score: indicated by ○) 70 (Pieces), standard circle C 70 Nc is the number of those located outside (hereinafter referred to as 70% complement valley points: indicated by ●) 70 (Pieces).
Then, the valley depth correction coefficient α is determined according to the above-described equation (1) according to the thread valley depth h to be employed. Further, in the projection shown in FIG. 70 The area of the part located inside 70 (Unit: mm 2 ) 70% section ratio σ 70 The
σ 70 = S 70 / St x 100 (%)
Determine as Assuming the above, the liquid processing nozzle 1 of FIG. 1 has an effective valley point number Ne defined by the above-described equation (2), and an effective valley point density (Ne / St) normalized by the total flow cross-sectional area St. 1.5 / mm 2 Or more (preferably 1.8 pieces / mm 2 This is ensured. Specific examples of values of effective valley point density when the inner diameter D of the throttle portion, the outer diameter M of the screw member 10 and the valley depth h are variously set are as shown in Tables 1 to 6 described later.
For example, the operation when water is circulated to the liquid processing nozzle 1 of FIG. 1 so that the dynamic pressure is about 0.1 MPa through the liquid inlet 4 by opening the liquid outlet 5 side will be described. This water is, for example, tap water, and it is assumed that air is dissolved at a concentration that is in equilibrium with the atmosphere (for example, the oxygen concentration at 20 ° C. (normal temperature) is about 8 ppm). The water flow is first squeezed by the taper portion 13 and the throttle hole 9, and then into a liquid circulation region composed of the main circulation region 21 and the liquid circulation gap 15 of FIG. 2 formed between the screw member 10 and the inner peripheral surface of the throttle hole 9. And passes through the screw member 10 while colliding with it.
When passing through the outer peripheral surface of the screw member 10, as shown in FIG. 4, the flow forms a high speed region in the valley portion 12 and a low speed region in the peak portion 11. Then, the high-speed region of the valley portion 12 becomes a negative pressure region by Bernoulli's theorem, and bubbles FB are generated by cavitation, that is, decompression precipitation of dissolved air. A plurality of valleys are formed on the outer periphery of the screw member 10, and four screw members 10 are arranged in the throttle hole 9, so this reduced pressure deposition occurs simultaneously and frequently in the valleys in the throttle hole 9. Will happen. Then, as shown in FIG. 5, when the water flow collides with the screw member 10, the reduced pressure precipitation in the valley portion occurs violently, and this is further entangled in the vortex generated when detouring downstream of the screw member 10. Stir vigorously. Thereby, the remarkable strong stirring area | region SM containing the countless micro eddy current FE is formed in the circumference | surroundings and the immediate downstream area of the collision part 10. FIG. The reduced pressure region where the bubbles are deposited is limited to the vicinity of the valley bottom around the collision part 10, and the high-speed liquid flow passes through the region almost instantaneously. Fine bubbles with a bubble diameter of less than 1 μm are efficiently generated by being caught in the stirring region.
The cavitation efficiency, and therefore the fine bubble generation efficiency, dominates the valley density obtained by normalizing the absolute number of valleys with the channel cross-sectional area, but the flow velocity in the pipe is maximum near the center of the pipe axis cross section. The parabolic distribution is shown in the radial direction in a shape that becomes the minimum at the inner wall surface position. For example, it is ideal to calculate the flow velocity distribution in the entire cross section by computer simulation using the finite element method, etc., and to determine the weighting factor according to the flow velocity for each valley point position, but it takes a very long time for the simulation. Cost. Therefore, in the present invention, as a simple method, the reference circle C is positioned at a position where the flow velocity is approximately 50% of the maximum value at the center of the cross section in the cross section without the collision portion. 70 And the number of valleys inside the reference circle (70% valley points) N 70 On the other hand, the number of valleys on the outer side (70% complement valley number Nc 70 ) Is weighted 0.38 times and added.
In addition, in order for valley points located near the center of the cross section to effectively contribute to the cavitation effect, it is necessary to obtain the expected flow velocity near the center of the cross section. The score needs to be evaluated by giving a weight to the distribution area near the center of the cross section. 70% section ratio σ 70 If there is no collision part, the value is 50%. Therefore, even when the collision part is arranged, the valley point inside the reference circle has a higher flow velocity as the 70% cross-sectional ratio value approaches 50%. 70% valley score N 70 Is σ 70 Weighted by a value of / 50. Then, the influence of the valley depth h is weighted by the valley depth correction coefficient α in the above-described equation (1) regardless of the inside / outside of the reference circle, and the above-mentioned (3) as the effective valley point number Ne. It can be calculated as an equation. The effective valley point density Ne / St obtained by normalizing the effective valley point number Ne with the total flow cross-sectional area St of the processing core portion is an index for objectively quantifying the fine bubble generation capability of the liquid processing nozzle. 1.5 / mm 2 Or more (preferably 1.8 pieces / mm 2 When the above is ensured, the cavitation efficiency and thus the generation efficiency of fine bubbles are remarkably improved.
As shown in FIG. 6, the collision portion may be formed by two screw members 10 screwed in the diameter direction. In this configuration, the liquid flow gap 15 is formed between the tip surfaces of the two screw members 10 and 10. In this configuration, as shown in FIG. 7, the reference circle C is equivalent to the amount that the tip of the screw member 10 approaches the center of the cross section of the throttle hole 9. 70 It can be seen that a valley point can be arranged at a position closer to the center on the inside. However, when the cross-sectional diameter of the throttle portion 9 increases, the effective valley point density Ne tends to be low, so that it can be said that the total flow cross-sectional area St is relatively small and suitable for a small flow rate liquid processing nozzle. FIG. 8 shows an example in which the collision portion is constituted by one screw member 110 in the diameter direction.
As shown in FIGS. 9 and 10, a plurality of crests 111 and troughs 112 (which can be formed by rolling, for example) that are not spirally integrated are closed in the axial direction of the collision parts 120 and 130. You may arrange. In FIG. 9, the crest 111 is formed in parallel with the plane orthogonal to the axis of the collision part 120, and in FIG. 10, the crest 111 is formed in parallel with the plane intersecting with the axis of the collision part 120. .
In addition, as shown in FIG. 12, a nozzle unit 600 is formed by connecting a plurality of liquid processing nozzles 1 of FIG. In this way, even when the inner diameter of the throttle hole of the nozzle 601 is set small so as to prioritize securing the flow velocity, the flow rate per nozzle is small, but the entire unit 600 is sufficient without sacrificing the cavitation effect. The flow rate can be secured. In this embodiment, both ends of the liquid processing nozzle 1 are formed in a straight shape, and the branch joint 602 is configured such that the branch side connection portion connects the ends of the nozzle with one touch, and the connection portion on the flow unification side is a normal screw joint. It is configured as.
The crests and troughs do not necessarily have to be formed all around in the circumferential direction of the collision part, as shown in FIG. 23, on the downstream side in the flow direction (white arrow) that does not easily function as a cavitation point. The crest 12 and the trough 10 may be cut out in a partial section in the circumferential direction by forming an axial groove 10a or the like on the outer peripheral surface of the collision unit 10. FIG. 11 is a three-dimensional conceptual diagram showing an example of the collision part 140 in which the mountain parts 141 are intermittently formed in the circumferential direction. Although the peak portion 141 is formed as a series of pyramidal protrusions in FIG. 11, there is no change in that a valley portion 142 is formed at the projection side edge of the collision portion 140.
Note that the tip of the screw member (impact portion) is not limited to that shown in FIG. 2, and other various forms can be adopted. For example, the tip of the screw member 10 may be formed in a conical shape, and in this case, the liquid flow gap is formed in a cross shape.
(Embodiment 2)
FIG. 13: shows the cross section of the liquid processing nozzle which shows the 2nd of embodiment of this invention with the enlarged side surface from the axial direction (A arrow) on the liquid inlet side. The liquid processing nozzle 151 includes a nozzle body 2 in which a liquid channel 3 is formed. The nozzle body 2 is formed in a cylindrical shape, and a liquid passage having a circular cross section is formed in the direction of the central axis O thereof. The nozzle body 2 includes a partition wall 8 that divides the liquid flow path 3 into an inflow chamber 6 on the liquid inlet 4 side and an outflow chamber 7 on the liquid outlet 5 side, and an inflow chamber 6 and an outflow chamber formed through the partition wall 8. A processing core portion CORE is formed that includes a plurality of throttle holes 9 that communicate with each other through different paths and a collision portion 10 that protrudes from the inner surface of the throttle hole 9. In FIG. 13, two throttle holes 9 are formed in the partition wall portion 8 with the same inner diameter so as to be an axial object with respect to the central axis O. In the projection on the plane orthogonal to the axis O of the nozzle body 2 in the same form as in FIG. 2 (and FIG. 3), the impinging portion 10 is formed in each of the plurality of restricting holes 9 in the processing core portion CORE. Four are arranged in a cross shape surrounding the central axis 9. In each throttle hole 9, the effective valley point density Ne defined by the above equation (1) is 1.5 / mm. 2 Or more (preferably 1.8 pieces / mm 2 This is ensured.
Each set of collision portions formed in the throttle hole 9 is formed by four screw members that are screwed so that the tip protrudes into the throttle hole 9 from the wall outer peripheral surface side of the nozzle body 2. As indicated by a broken line in the enlarged view of arrow A, the screw member 10 is screwed into a screw hole 19 formed through the wall portion of the nozzle body 2, and the screw head lower surface is located in the middle of the screw thrust direction of each screw hole 19. A stepped surface 19r is formed to support the. The formation position of the stepped surface 19r is such that when the screw member 10 is screwed in, the length of the screw leg portion protruding into the throttle hole 9 (that is, the portion serving as the collision portion) forms the liquid flow gap 15. It has been adjusted to be appropriate. The setting between the screw hole 19 and the screw member 10 is fixed by an adhesive or the like.
In addition, since the screw hole 19 opens in the outer peripheral surface of the nozzle main body 2, the cylindrical cover 18 which covers the outer peripheral surface of the nozzle main body 2 is attached by adhesion etc. in order to conceal this. The outer peripheral surface of the cover member 18 may be decorated by plating or painting. In addition, an inflow side connection portion 16 and an outflow side connection portion 17 are formed on the outer peripheral surfaces of both ends of the nozzle body 2.
Further, as shown in FIG. 14, in order to avoid interference of the screw members 10 between the plurality of throttle holes 9, a set of four screw members 10 incorporated in each throttle hole 9 is arranged between the throttle holes 9. They are arranged at positions shifted from each other in the axial direction. Further, in FIG. 14, the plurality of screw members 10 </ b> A, 10 </ b> B, 10 </ b> C, 10 </ b> D in the same throttle hole 9 are arranged at positions shifted from each other in the axial direction (flow direction) of the throttle hole 9. . Specifically, in each throttle hole 9, screw member pairs 10A, 10B and 10C, 10D arranged at positions orthogonal to each other on the same plane are different from each other in the flow direction (in FIG. The holes 9 are arranged at positions A and B on the downstream side, and the positions of the lower throttle holes are arranged at positions C and D on the upstream side. In the projection onto the plane orthogonal to the central axis O in FIG. 13, the four screw members 10A and 10B at the positions A and B and the four screw members 10C and 10D at the positions C and D respectively form a cross shape. Will be arranged as follows.
In FIG. 14, each pair of screw members 10 is in contact with the outer peripheral edge of the front end surface (or in a form in which the outer peripheral edge of the front end surface is brought closer through a gap narrower than the liquid flow gap). A square liquid flow gap is formed together with the screw member 10 shown in FIG. 22, and FIG. 22 shows a modification of the arrangement of each screw member pair. In FIG. 22, in each of the two pairs 10A, 10B of screw members, the leg end 10b of one screw member is positioned at the center of the throttle hole 9, while the other screw is provided on the peripheral side surface of the leg end 10b. The tip end face 10e of the member is brought into contact (or opposed through a gap), and the leg end 10b on the side located in the center of the throttle hole 9 is placed between the pair in the axial direction of the nozzle body 2 (FIG. 13). They are shifted from each other. In this way, the valley portion of the leg end 10b can be arranged near the center of the throttle hole 9 having a high flow velocity, and the cavitation effect and, consequently, the bubble refining effect can be further enhanced.
Returning to FIG. 13, when four screw members 10 are to be screwed into the respective throttle holes 9 from the outside of the nozzle body 2, if the geometric layout is wrong, interference between the screws, Problems such as a screw member 10 screwed into a certain throttle hole 9 penetrating through another throttle hole 9 are likely to occur. In FIG. 13, the number of throttle holes 9 is two. However, when the impact member is formed by screwing the screw member 10 from the wall outer peripheral surface side of the nozzle body 2 toward the throttle hole 9, It is optimal to form any one of 2 to 4 in a symmetric positional relationship with respect to the 3 central axis.
Next, in FIG. 13, the aperture 9 is defined as L / de, where de is the diameter of a circle equivalent to the sum of the axial cross-sectional areas of the apertures 9 and L is the length of the aperture 9. The hole aspect ratio is set to 3.5 or less. In FIG. 15, in the general case where the inner diameters of the two throttle holes 9 are different from each other (d1, d2), the throttle hole aspect ratio is L / (d12 + d22) 1/2. In FIG. 13, the two throttle holes 9 are formed to have a cylindrical surface having the same inner diameter and the same length, and the inner diameter of the two throttle holes 9 is d, and the throttle hole aspect ratio is 0.71 L / d. It is. The value of the aperture hole aspect ratio L / de is desirably 3 or less, and more desirably 2.5 or less.
In FIG. 13, in the projection onto the plane orthogonal to the axis O of the nozzle body 2, the distance from the reference point O determined at the center position of the projection area of the partition wall 8 to the inner periphery of the plurality of aperture holes 9 (the aperture holes). The plurality of throttle holes 9 are arranged around the reference point O so that the displacement (T) is smaller than the inner diameter D of the throttle hole 9. The throttle hole displacement T is desirably ½ or less of the inner diameter D of the throttle hole 9. Furthermore, in the present embodiment, when the area of the circumscribed circle 20 with respect to the inner periphery of the plurality of apertures 9 is St and the total area of the projection area of the apertures 9 is Sr in the same projection, K≡Sr / St The defined aperture hole aggregation rate K is 0.2 or more.
That is, the liquid processing nozzle 151 satisfies the following conditions.
A throttle hole aspect ratio defined by L / de is 3.5 or less;
The throttle hole displacement T is smaller than the inner diameter D of the throttle hole 9;
-The throttle hole aggregation rate K is 0.2 or more.
Further, the area St of the circumscribed circle 20 is 90% or more (100% in FIG. 13) of the projected area of the partition wall 8. Since the area of the flow blocking region formed outside the throttle hole 9 in the partition wall 8 is small, the flow stagnation and the loss due to the vortex that are generated in such a region are reduced. As is clear from FIG. 13, the diameter of the circumscribed circle 20 with respect to the throttle hole 9 is narrower than the opening diameter of the liquid inlet 4, and the inner peripheral surface of the inflow chamber 6 following the liquid inlet 4 faces the partition wall portion 8. The tapered surface 13 is reduced in diameter.
Further, as shown in FIG. 15, the length of the section located downstream of the collision portion 10 of the throttle hole 9 (hereinafter referred to as the remaining section) is Lp (average value of Lp2 to Lp4), and the axial break of the throttle hole 9 is performed. The remaining section aspect ratio defined by Lp / de is set to 1.0 or less, where de is the diameter of the circle equivalent to the total area. The inner peripheral surface of the outflow chamber 7 is also a tapered surface 14 that expands toward the liquid outlet 5. In FIG. 15, the length of the remaining section is zero for the screw member 10A located on the most downstream side, but as shown in FIG. 16, when the remaining section has a non-zero length Lp1 for the screw member 10A, The remaining section length Lp is an average value of Lp1 to Lp4.
In the liquid processing nozzle 151 of FIG. 13, a plurality of constricted portions are formed in the partition wall portion 8, and the flow path sections before and after the constriction portion are aggregated into the inflow chamber 6 or the outflow chamber 7 defined by the partition wall portion 8. By adopting a structure that is shared by a plurality of throttle portions, the section where the flow path branches into a plurality of systems is only the throttle holes 9 formed in the partition wall portion 8.
According to this configuration, the throttle hole aspect ratio defined by L / de (see FIG. 15) is set to 3.5 or less, and the length of the branch section that causes the drift, that is, the collision portion 10 Can be sufficiently shortened. In addition, the throttle holes 9 are arranged close to the reference point O to such an extent that the throttle hole displacement T (see FIG. 13) is smaller than the inner diameter D of the throttle hole 9, and the partition wall portion 8 having a high flow velocity. Is centralized in the center. As a result, a decrease in flow velocity or non-uniformity in the throttle hole 9 is suppressed, and drift can be reliably prevented. That is, it is possible to achieve both a sufficient cavitation effect and a sufficient flow rate by forming a plurality of throttle holes 9 having the collision portion 10, and the drift between the plurality of throttle holes 9 is effectively suppressed, The generation of fine bubbles based on the cavitation effect can be continued stably.
Further, in the liquid processing nozzle 151 of FIG. 13, the remaining section aspect ratio (see FIG. 15) defined by Lp / de is set to 1.0 or less. By the time the liquid that has passed through the impingement part 10 in the throttle hole 9 merges in the outflow chamber 7, the passage distance of the remaining section of the throttle hole 9 with a large fluid resistance of the flow including the precipitated bubbles is shortened. Since the strong stirring region generated downstream of the collision part 10 of each throttle hole 9 is integrated in the outflow chamber 7, the effect of refining the bubbles is further enhanced.
Hereinafter, modifications of the liquid processing nozzle of FIG. 13 will be listed. Since there are many common points with the liquid processing nozzle of FIG. 13, the same reference numerals are given to common components, and the differences will be mainly described. First, as shown in FIG. 17, the plurality of throttle holes 9 may be integrally formed so as to partially overlap in a region including the center of the partition wall portion 8 in the above-described projection. It is desirable that the projected area of the overlap region be within 30% of the area of each aperture 9.
In the liquid processing nozzle 51 shown in FIG. 18, a set of four screw members 10 arranged in each throttle hole 9 is arranged on the same plane as shown in the sections AA and BB. FIG. 19 shows an example in which three throttle holes 9 are formed in the partition wall portion 8. The positions of the screw members 10 in the flow direction between the three throttle holes 9 are determined to be shifted from each other. Further, in the above-mentioned projection, the three aperture holes 9 are arranged at positions that form the vertices of the equilateral triangle with a distance larger than the inner diameter of the screw hole 9, and the four screw members 10 having a cross-like arrangement are arranged. The arrangement angle of the set of the screw members 10 is determined so that the screw holes 19 extending toward the pair of the remaining throttle holes 9 pass through the pair of the throttle holes 9 in one throttle hole 9. Yes. Accordingly, all the screw holes 19 can be formed so as to open to the outer peripheral surface of the nozzle body 2 without interfering with the throttle hole 9.
FIG. 20 shows an example in which the collision part 10F is formed integrally with the partition part 8 of the nozzle body 2 by injection molding. Naturally, since the material of the collision part 10F is a resin (for example, ABS or nylon) that can be injection-molded, it is necessary to limit the flux within a range where wear due to cavitation is not a problem. In order to integrally mold the collision portions 10F of the plurality of throttle holes 9, the first mold core for forming the inflow chamber so that the central axes of all the collision portions 10F are located on the same plane And a mold cavity of the collision portion 10F and the partition wall portion 8 is provided on each tip surface of the second mold core for forming the outflow chamber, and the mold core is molded in a state where the mold cores are abutted with each other using the plane as a dividing surface. You can do that.
FIG. 21 shows an example in which four throttle holes 9 are formed in the partition wall portion 8. Each of the four throttle holes 9 has a collision portion formed by screwing one screw member 10 in the diameter direction. Specifically, the four throttle holes 9 are arranged at positions that form the vertices of squares in the above-described projection, and the central axis O of the nozzle body 2 from the outer peripheral surface side of the nozzle body 2 to each throttle hole 9. The screw member 9 is screwed in the diameter direction of the throttle hole 9 toward. The screw member 10 may be incorporated into the nozzle body 2 by insert molding, and the collision portion may be integrated with the nozzle body 2 by injection molding, as in FIG.
(Embodiment 3)
Hereinafter, usage examples of the liquid processing nozzle of the present invention (that is, embodiments of the liquid processing method) will be described. 24 may be the liquid processing nozzle 1 of FIG. 1 (the liquid processing nozzle 151 of FIG. 13 or the liquid processing nozzle 51 of FIG. 18) in the middle of a shower hose flow path for a general bathroom (or for a business such as a beauty salon). : The following is the same), and the treated hot water (that is, hot water containing fine bubbles) can be ejected from the shower head. A first hose connection for connecting the liquid treatment nozzle 1 to the nozzle main body 2 of FIG. 1 via the inflow side hose 405 as the inflow side connection portion 16 on the liquid inlet 4 side and the hot water / water mixing tap 408 of FIG. A second hose connection screw for connecting the shower head 401 and the liquid processing nozzle 1 by the outflow side hose 402 as the outflow side connection portion 17 on the liquid outlet 5 side is a thread portion (hereinafter referred to as reference numeral 16). Each part (hereinafter referred to as reference numeral 17) is formed. Each screw portion 16 and 17 is formed as a male screw portion (for example, R1 / 2 to G1 / 2), and the hoses 402 and 405 are connected to the shower head 401, the faucet fittings 403, 404, 406, and 407, respectively. The liquid processing nozzle 1 and the hot / cold water mixing tap 408 are connected. If the hot and cold mixing tap 408 is opened in this state, hot water is supplied to the liquid nozzle 1 and sprayed from the shower head 401. Even when using an existing shower head that does not have the function of generating bubbles, a large amount of fine bubbles can be mixed into the hot water when passing through the liquid processing nozzle 1, increasing the water permeability to the human skin and hair and keeping the moisture. You can enjoy the effects of improving the skin, effectively removing dirt on the scalp and body surface. And even if the nozzle 1 is connected to the middle of the shower hose, it is difficult to be affected by the drift, and the effect of generating fine bubbles can be stably enjoyed.
FIG. 25 shows an example in which the liquid processing nozzle 1 is used for toilet cleaning. A flush water supply pipe 103 is connected to the toilet bowl 105 of the toilet, and washing is performed by supplying and flowing flush water 109 along the inner surface of the toilet bowl via the pipe 103. The liquid treatment nozzle 1 of the present invention is provided in the middle of the washing water supply pipe 103, and the washing water in the pipe is supplied to the toilet 105 after becoming the fine bubble-containing water 109 when passing through the liquid treatment nozzle 1. The toilet 105 and the sewage drain pipes 107 and 108 of the toilet 105 are washed. Thereby, the toilet bowl 105 and the sewage drain pipes 107 and 108 can be kept clean for a long period of time, and adhesion and accumulation of urinary stones and the like are less likely to occur.
In the example of FIG. 25, the toilet 105 is configured as a urinal, and a well-known valve unit 104 with a sensor is provided at a position where the user of the toilet 105 can be detected on the way of the washing water supply pipe 103. Clean water from the water pipe 102 is stored in a wash water tank 101 provided above, and a supply pipe 103 is connected to the wash water tank 101. The sensor-equipped valve unit 104 transitions from the standby state to the cleaning preparation state when the detection state of the user approaching the toilet 105 is continued for a predetermined time or more. In the cleaning preparation state, as the user moves away from the toilet bowl 105 and enters a non-detection state, the valve is opened and a necessary amount of washing water is allowed to flow into the toilet bowl 105, and then the valve is closed again to wait for washing. Return to. The wastewater from the toilet is collected in the sewage pipe 108 and discharged to the sewer or septic tank. The drainage after washing passes through an individual drainage pipe 107 communicating with the lower side of the toilet 105, is collected in a sewage pipe 108 together with drainage from other toilets (not shown), and is discharged toward a sewer or septic tank.
(Embodiment 4)
Next, a specific embodiment of the gas dissolving method using the liquid processing nozzle of the present invention will be described. FIG. 26 shows an example of a liquid processing nozzle in which the liquid processing nozzle 1 and the processing core unit CORE of FIG. The liquid processing nozzle 171 is opened to the nozzle body 2 on the outer peripheral surface of the nozzle body 2 and, as shown in FIG. 1, introduces gas that communicates with the throttle holes 9 upstream of the plurality of collision portions 10. A hole 28 is formed.
When liquid is supplied to the liquid supply port 3 of the liquid processing nozzle 171, a very remarkable strong stirring region SM is formed in the periphery and the immediately downstream region of the collision unit 10 as in FIG. 5. In this state, when a gas to be dissolved is introduced into the gas introduction hole 28 of FIG. 1 and supplied to the processing core unit CORE as a mixed phase flow of liquid and gas, the gas forming the mixed phase flow is strongly downstream of the collision unit 10. By being involved in the stirring region SM (FIG. 5), mixing with the liquid proceeds remarkably, and gas dissolution can be performed very efficiently. The factor that forms the strong stirring region SM in the downstream region of the collision unit 10 is reduced-pressure boiling precipitation caused by cavitation of gas originally dissolved in the liquid supplied from the liquid inlet 4. A strong stirring region SM is formed in the downstream region of the collision unit 10 due to the decompression boiling of the dissolved gas, and an infinite number of fine vortex flows FE are formed, and the gas introduced from the gas introduction hole 28 is entrained therein. The stirring and dissolution of gas proceeds on a scale that is orders of magnitude greater than the amount of gas damaged by boiling under reduced pressure. And the gas that could not be dissolved in the liquid also stays in the liquid as microbubbles with very low ascending speed, and various known effects peculiar to microbubbles (for example, cleaning effect, liquid permeability promoting effect, etc.) Will be exhibited according to the type of gas. In addition, since the same gas coexists in the liquid in the form of both dissolved gas and fine bubbles, when exposed to an atmosphere that does not contain dissolved gas, compared to a liquid in which only dissolved gas exists, apparent dissolved The rate of decrease in gas concentration decreases, and a high concentration state is maintained for a longer time.
In addition, the structure which does not provide a gas introduction hole in the nozzle main body 2 like the liquid processing nozzle 1 of FIG. 1 is adopted, and gas flows in on the liquid supply path upstream from the liquid inlet 4 to form a multiphase flow. It is good also as a system.
Next, the liquid processing nozzle 71 of FIG. 27 has the same configuration as that of FIG. 13, and the screw members 10 arranged at positions orthogonal to each other on the same plane in each throttle hole 9 as shown in FIG. 14. Are arranged at different positions in the flow direction (in the drawing, the positions of A and B on the downstream side for the upper throttle hole 9 and the positions C and D on the upstream side for the lower throttle hole). Yes. In FIG. 27, the gas introduction hole 28 is the most downstream screw member with respect to the nozzle hole 9 on the upper side of the drawing in which the screw member 10 is attached to the position A or B on the downstream side of the two throttle holes 9. A hole is formed in the radial direction with respect to the wall portion of the nozzle body 2 so as to open upstream from the 10A position. A female screw hole 29 for attaching a gas introduction joint 30 for connecting a gas supply pipe is formed in the opening of the gas introduction hole 28 on the outer peripheral surface side of the nozzle body 2. In FIG. 27, the gas introduction hole 28 is opened upstream of any of the screw member pairs 10A and 10B. However, the arrangement interval in the flow direction of the screw member pairs 10A and 10B is widened, so that the gas introduction hole 28 is at an intermediate position between them. The gas introduction hole 28 may be opened.
26 and 27, the gas to be dissolved in the throttle hole 9 can be easily introduced by connecting the gas supply pipe to the gas introduction joint 30 (gas supply unit). In the configuration of FIG. 27, both end portions of the nozzle body 2 of the liquid processing nozzle 71 are a straight inflow side connection portion 26 and an outflow side connection portion 27 for connecting a one-touch fitting (not shown). An intermediate portion in the axial direction connecting the gas introduction joint 30 is a bowl-shaped portion 2 a having a larger diameter than the inflow side connection portion 26 and the outflow side connection portion 27.
Also in the liquid processing nozzle 71, the throttle hole aspect ratio of the throttle hole 9 formed in the partition wall portion 8 is set to 3.5 or less, and the throttle hole displacement is set to the inner diameter D of the throttle hole 9, just like the nozzle 151 in FIG. It is arranged close to the center of the partition wall 8 (around the reference point) so as to be smaller. Further, the length Lp of the remaining section located downstream from the collision portion 10 of the throttle hole 9 is set so that the aforementioned remaining section aspect ratio is 1.0 or less. In this embodiment, since the gas introduction hole 28 is formed only in one of the two throttle holes 9, the gas phase to be dissolved is supplied to the one throttle hole 9 in a biased manner.
However, since the throttle hole aspect ratio is set to 3.5 or less, the flow loss in the entire processing core part CORE is small, and gas is also introduced into the flow F2 in the throttle hole 9 on the gas introduction side. As a result, the flow rate is lower than the flow F1 in the other throttle hole 9, but this is not excessively impaired. And since the remaining section length Lp is small, the introduced gas can be promptly guided to the strong stirring region combined and enlarged downstream of the collision portion 10. That is, the flow from the throttle hole 9 on the gas introduction side can be shared by the outflow chamber 7 in the strong stirring region SM mainly formed on the throttle hole 9 side where the gas is not introduced. Despite the fact that the gas flows in a biased manner in one of the throttle holes 9, extremely efficient gas dissolution and pulverization is possible.
Of course, the gas introduction holes 28 may be provided for all the throttle holes 9, and in this case, the gas is supplied while being distributed to the respective throttle holes 9 (impact portions 10 thereof). Also here, as shown in FIG. 13, a configuration in which a gas introduction hole is not provided in the nozzle body 2 is adopted, and a gas is caused to flow in a liquid supply path upstream from the liquid inlet 4 to form a multiphase flow. Also good. In this method, since the reduced pressure suction effect at the throttle portion cannot be used when supplying the gas, it is necessary to slightly increase the gas supply pressure, but there is an advantage that the gas can be supplied uniformly to each throttle hole 9 of the liquid processing nozzle 1. is there. Further, a configuration in which a gas introduction hole is provided in the inflow chamber 6 upstream of the throttle hole 9 is also possible.
In the gas dissolving method of the present invention, the simplest method is to dissolve the gas while flowing the liquid through the liquid processing nozzle for only one pass. FIG. 28 shows an example of the gas dissolving apparatus of the present invention that can embody the method, and FIG. 29 shows an example of its use. In the gas dissolving apparatus 200, a liquid supply pipe (inflow hose) 405 (a liquid supply unit that forms a mixed phase flow supply means) is connected to an external liquid supply source (for example, a hot-water mixing tap 408 of a water supply or a water heater) (FIG. 27). 27), a liquid supply pipe connecting portion 202B (having a mounting screw portion 202r) is connected. A liquid processing nozzle 71 shown in FIG. 20 is provided at the tip of the liquid supply pipe connecting portion 202B, and gas is supplied from the liquid outlet to the liquid processing nozzle 71 (or the liquid processing nozzle 171 shown with the aid of FIG. 1). The gas-dissolved liquid in which the gas is dissolved in one pass flows out. On the liquid outlet 5 side, a liquid discharge pipe connecting portion 202A (having a mounting screw portion 202r) for connecting a gas-dissolved liquid discharge pipe (outflow side hose) 408 (FIG. 29) is provided. Although the gas dissolving apparatus 200 is a simple one-pass, the gas can be dissolved at a high concentration by using the liquid processing nozzle of the present invention.
Hereinafter, the details of the gas dissolving apparatus 200 will be further described. The gas dissolving apparatus 200 includes a main body case 201, and a liquid discharge pipe connecting portion 202A and a liquid supply pipe connecting portion 202B each made of a metal threaded pipe joint are attached to the surface of the main body case 201. An internal liquid pipe 205 is connected to the liquid supply pipe connecting portion 202B, and further, the liquid inlet side of the liquid processing nozzle 71 of FIG. 20 is connected via a flow sensor (flow switch) 204 and a pipe joint 203. Is connected to the liquid discharge pipe connecting portion 202A.
A gas supply port joint 211 for connecting a gas supply pipe connected to an external gas supply source is attached to the surface of the main body case 201. The gas introduction joint 30 and the gas supply port joint 211 of the liquid processing nozzle 71 are connected to each other by a gas supply pipe 210. On the way, the check valve 207 and the electromagnetic valve 208 are connected from the liquid processing nozzle 71 side. And the pressure sensor 209 are arranged in this order. The check valve 207 is for preventing a reverse flow of the liquid flow from the liquid processing nozzle 71 side when the gas supply flow in the gas supply pipe 210 is interrupted, and the electromagnetic valve 208 is in the gas supply pipe 210. This is for switching the gas supply flow between the cutoff state and the supply state. The pressure sensor is for detecting the gas pressure in the gas supply pipe 210 to determine the presence or absence of the gas supply flow.
The main body case 201 is further provided with a control board 212 that constitutes a gas supply control means for switching and controlling the power supply circuit 213 and the gas supply flow in the gas supply pipe 210 between a cut-off state and a supply state. A power switch 214 and a power lamp 215 are attached to the surface of the battery. The switch signal SS from the power switch 214 and the detection signals SF and SP from the flow sensor 204 and the pressure sensor 209 are input to the control board 212. An operation signal from the gas flow control operation unit 216 is also input to the control board 212. The power supply circuit 213 receives the drive power supply voltage from the commercial power supply via the power supply cord 217c and the power supply plug 217 (or an AC adapter with a plug), and outputs the drive voltage and signal source voltage of each place to the control board.
The control board 212 performs the following control operation.
(1) As the power switch 202 is turned on, power supply voltage 215 is detected and the power lamp 215 is turned on.
(2) When all of the following conditions a to c are satisfied, the drive signal SVD is output to the solenoid valve 208 to drive the solenoid valve 208 to the open state (thereby supplying gas to the liquid processing nozzle). Gas is supplied through the pipe 210).
a. The flow sensor 204 outputs a detection signal SF for detecting the liquid flow in the internal liquid pipe 205;
b. The pressure sensor 209 outputs a gas supply pressure detection signal Sp in the gas supply pipe 210, and
c. The gas flow control operation unit 216 is in an operation state permitting gas supply.
(3) If any one of a to c in (2) is not established, the electromagnetic valve 208 is kept closed.
A usage example of the gas dissolving apparatus 200 of FIG. 28 and the operation in that case will be described with reference to FIG. Here, the application destination of the gas dissolving apparatus 200 is a hair washing table such as a beauty salon, and a mode in which carbon dioxide gas is used as gas and hot water for washing hair in which the carbon dioxide gas is dissolved is supplied from the shower 401 is taken as an example. The hot and cold water mixing tap 408 of the water heater and the liquid supply pipe connecting portion 202B of the gas dissolving apparatus 200 are connected by water faucet fittings 406 and 407 via an inflow side hose 405 forming a liquid supply pipe. Further, the shower head 401 and the liquid discharge pipe connecting portion 202A of the gas dissolving apparatus 200 are connected to each other by faucet fittings 403 and 404 through an outflow side hose 402 as a discharge pipe. The pressure reducing valve 411 of the carbon dioxide cylinder 410 serving as a gas supply source and the gas supply port joint 211 of the gas dissolving apparatus 200 are connected by a gas supply tube 412.
The gas dissolving apparatus 200 of FIG. 28 operates as follows.
When the power switch 214 is turned on and the valve of the carbon dioxide gas cylinder 411 is open, if the hot-water mixing tap 408 is opened in this state, hot water is supplied to the gas melting apparatus 200 and sprayed from the shower head 401. . At this time, the flow sensor 204 in FIG. 28 detects the flow of hot water, and the pressure sensor 209 detects the carbon dioxide pressure supplied through the gas supply pipe 210. SF and gas supply pressure detection signal SP are input. Therefore, in this state, if the gas flow control operation unit 216 enters an operation state in which the gas supply is permitted, the control board 212 outputs the drive signal SVP to the electromagnetic valve 208, and the electromagnetic valve 208 is opened in response to this, and the hot water is supplied. Carbon dioxide gas is supplied to the flowing liquid processing nozzle 71, and becomes hot water containing dissolved carbon dioxide gas and fine bubbles and is jetted from the shower head 401. On the other hand, if the operation state permitting the gas supply in the gas flow control operation unit 216 is released, the control substrate 212 stops the output of the drive signal SVP, the electromagnetic valve 208 is closed, and the carbon dioxide gas is supplied to the liquid processing nozzle 71. Stops. As a result, hot water containing only fine bubbles due to dissolved air is jetted from the shower head 401.
When water is circulated through the liquid processing nozzle 1 so that the dynamic pressure is 0.1 MPa at the liquid inlet with the liquid outlet side opened, the flow rate of water flowing out from the liquid outlet is defined as Q, and the total flow of the processing core section The water flux Q / St normalized by the cross-sectional area St is 0.5 L · mm. 2 Per minute (standard configuration), the dynamic water pressure on the coal liquid inlet side is 0.015 MPa or more and 0.3 MPa or less, and the carbon dioxide / water flow ratio Q1 / Q2 is 0.1 or more and 1. If water and carbon dioxide gas are supplied to the liquid treatment nozzle in one pass with a gas flow rate of 0 or less (however, the gas flow rate is a volumetric flow rate converted to a pressure of 0.1 MPa), the carbon dioxide gas dissolves in water with a dissolution efficiency of 40% or more be able to.
In this embodiment, the gas flow control operation unit 216 is configured as a foot switch, and the state in which the foot switch 216 is urged by the foot is defined as an operation state that permits gas supply (of course, the reverse is also possible). Good). For example, when a hair washing operator such as a hairdresser holds the shower head 401 to wash the hair of a customer or the like, carbon dioxide gas is supplied while the foot switch 216 is stepped on. Gas supply stops immediately. Therefore, the use of the carbonated fine bubble water and the non-carbonated fine bubble water can be quickly and finely switched by operating the foot switch 216.
In the carbonated fine bubble water mode, blood circulation promotion effect by carbon dioxide permeation into the scalp (and the relaxation effect that accompanies it: the so-called head spa effect) can be obtained, and the cuticle of the hair is opened so that moisture can be easily absorbed into the hair. The action is remarkable. Furthermore, when hair dyeing work is performed using an amine-based hair dyeing agent, the hair dyeing agent is washed away with carbonated fine bubble water, so that damage to the hair due to alkali reaction can be reduced by the neutralizing effect of carbonic acid, or , You can enjoy the advantage that even long hair can be dyed uniformly and beautifully. On the other hand, fine bubbles are mainly used for cleaning effects such as removal of sebum, scalp dirt, and horny plugs that fill pores, as well as to improve the moisture retention of the hair and to prevent rough hands by maintaining the skin's moisture retention. It can be enjoyed in any mode of carbonated fine bubble water and non-carbonated fine bubble water. There is also a report that when the sebum stain is particularly strong, the effect of removing sebum is more remarkable when the pH of the warm water is not acidic, that is, non-carbonated fine bubble water. Since the carbonic acid fine bubble water mode naturally involves the consumption of carbon dioxide gas, it is more economical to suppress the carbon dioxide gas consumption by using non-carbonic fine water bubbles in a situation where the above-mentioned effect specific to carbonation is not particularly required. Thus, it can be said that it is desirable to appropriately use each mode of the carbonated fine bubble water and the non-carbonated fine bubble water depending on the scene.
Next, when the hot and cold water mixing tap 408 is closed in FIG. 29, the electromagnetic valve 208 in FIG. 28 automatically closes, and even if the valve of the carbon dioxide cylinder 410 is open, useless carbon dioxide may flow out of the shower head 401. Absent. When the carbon dioxide gas cylinder 410 becomes empty, the pressure sensor 209 detects a gas pressure drop and similarly closes the electromagnetic valve 208. Thereby, even when the use of hot water is continued in the non-carbonated fine bubble water mode, there is no concern that water flows backward to the carbon dioxide cylinder 410 side via the gas supply pipe 210. The check valve 207 should also act to prevent the backflow of water, but many of the check valve type commercially available gas check valves cannot often stop the backflow of low-pressure liquid. It is effective to reliably prevent backflow using
(Embodiment 4)
The gas dissolving device 260 in FIG. 30 shows an example in which the liquid flowing out from the liquid processing nozzle is returned to the nozzle via the pump and circulated while circulating, and FIG. 31 shows an example of its use. It is shown. The multiphase flow supply means (specifically, the liquid supply unit) includes circulation pipes 422 and 425 that return from the liquid storage unit 430 that stores the liquid to the liquid storage unit 430 via the liquid processing nozzle 71 (FIG. 30), The liquid in the liquid storage unit 430 is mixed with the gas from the gas supply unit 410 through the circulation pipes 422 and 425, and then circulated through the liquid processing nozzle 71 (FIG. 30) and then returned to the liquid storage unit 430. The liquid feed pump 218 is configured to be liquid.
Returning to FIG. 30, the configuration of the gas dissolving apparatus 260 will be further described. Since the gas dissolving device 260 has the same configuration as the gas dissolving device 200 of FIG. 28 except that the liquid feed pump 218 is incorporated in the middle of the internal liquid pipe 205, only the differences will be mainly described below. Explanation will be given, and the same components as those in FIG. That is, in this configuration, the internal liquid pipe 205 is divided into a first pipe 205A on the pump inlet side and a second pipe 205B on the pump outlet side, which are connected to the suction side and the discharge side of the liquid feed pump 218, respectively. The liquid feed pump 218 receives a drive voltage from the power supply circuit 213.
28 is omitted, and the control board 212 performs the following control operation.
(1) As the power switch 202 is turned on, power supply voltage 215 is detected and the power lamp 215 is turned on.
(2) When both of the following conditions a and b are satisfied, a drive signal SVD is output to the solenoid valve 208 to drive the solenoid valve 208 to the open state (thereby supplying gas to the liquid processing nozzle). Gas is supplied through the pipe 210).
a. The flow sensor 204 outputs a detection signal SF for detecting the liquid flow in the internal liquid pipe 205;
b. The pressure sensor 209 outputs a gas supply pressure detection signal Sp in the gas supply pipe 210, and
(3) When either a or b in (2) is not established, the electromagnetic valve 208 is kept closed.
A usage example of the gas dissolving apparatus 260 of FIG. 30 will be described with reference to FIG. 31 together with the operation in that case. The application destination of the gas dissolving device 260 is a bath, and it is used as a so-called carbonated bath in which carbon dioxide gas is dissolved as a gas while circulating the hot water in the bathtub 430 as a liquid storage unit by the gas dissolving device 260. . Connected to the liquid supply pipe connecting portion 202B of the gas dissolving apparatus 260 is a return side pipe 425 that forms part of the above-described circulation pipe that returns the hot water in the bathtub 430 to the gas dissolving apparatus 260. The liquid discharge pipe connection 202A of the gas dissolving device 260 is connected to a discharge side pipe 422 that forms part of a circulation pipe that discharges hot water in which gas has been dissolved by the gas dissolving device 260 into the bathtub 430. ing. The pressure reducing valve 411 of the carbon dioxide cylinder 410 serving as a gas supply source and the gas supply port joint 211 of the gas dissolving device 260 are connected by a gas supply tube 412.
In FIG. 31, first, hot water is filled in a bathtub 430 from a water heater (not shown). Then, the valve of the carbon dioxide cylinder 411 is opened, and the power switch 214 (FIG. 30) is turned on. Then, the pump 218 starts to operate, sucks hot water in the bathtub 430 through the return side pipe 425, and circulates and flows so as to return to the bathtub 430 through the discharge side pipe 422 while passing through the liquid processing nozzle 71. At this time, in FIG. 30, the flow sensor 204 detects the flow of hot water, and the pressure sensor 209 detects the carbon dioxide pressure supplied through the gas supply pipe 210. A detection signal SF and a gas supply pressure detection signal Sp are input. Therefore, the control board 212 outputs the drive signal SVP to the solenoid valve 208, the solenoid valve 208 is opened, the carbon dioxide gas is supplied to the liquid processing nozzle 71, and circulates as hot water containing dissolved carbon dioxide gas and fine bubbles. Will continue. As shown in FIG. 31, since the circulation is performed while the supply of the carbon dioxide gas is continued, the carbon dioxide gas concentration in the hot water in the bathtub 430 increases with the passage of the circulation time. Then, when the power switch 214 is turned off at the preferred carbon dioxide concentration, the circulation is stopped. Then, even if the electromagnetic valve 208 in FIG. 26 is automatically closed and the valve of the carbon dioxide cylinder 410 is open, there is no possibility that wasteful carbon dioxide will be lost.
As is well known, when bathing in this state, when carbon dioxide is used, a blood circulation promoting effect by carbon dioxide permeation into the skin can be obtained. However, by containing a large amount of fine bubbles, the effect of improving the moisture retention of the skin and removing dirt is also achieved. In addition, since carbon dioxide is contained as fine bubbles, there is an advantage that the concentration of dissolved carbon dioxide lasts for a long time even after the circulation by the apparatus 260 is stopped.
On the other hand, when the carbon dioxide cylinder 410 becomes empty or the valve of the carbon dioxide cylinder 410 is closed, a gas pressure drop is detected by the pressure sensor 209 and the electromagnetic valve 208 is similarly closed. At this time, if the power switch 214 is turned on, the hot water in the bathtub 430 is circulated in a state where the carbon dioxide gas is not supplied. In this case, the hot water in the bathtub 430 becomes water containing fine bubbles. If a hydrogen cylinder 420 is used instead of the carbon dioxide cylinder 410, it can be used as a hydrogen bath.
(Embodiment 4)
FIG. 32 shows an example of an apparatus in which nitrogen or oxygen is dissolved in a liquid while circulating using the liquid processing nozzle of the present invention. In the apparatus 550, raw water (including an aqueous solution and a colloidal solution) 502 is stored in a tank 501, and a gas introduced by an ejector or the like is provided in the raw water supply pipe 51 extending from the tank 501. The unit 219, the liquid feed pump 505, and the liquid processing nozzle 1 of FIG. 1 (the liquid processing nozzle 151 of FIG. 13 and the liquid processing nozzle 51 of FIG. 18 may be provided) in this order. Nitrogen gas is supplied to the gas introduction unit 219 from a nitrogen cylinder 430 as a gas supply source via a pressure reducing valve 411 and a gas supply tube 412. A pipe 507 extending from the tank 501 is formed as a circulation pipe that returns from the tank-side outlet 506 to the tank-side inlet 508 via the gas introduction unit 219, the liquid feed pump 505, and the liquid processing nozzle 1.
When the liquid feed pump 505 is operated, the raw material water from the tank 501 is supplied with nitrogen gas from the nitrogen cylinder 430 at the gas introduction unit 219 and becomes a mixed phase flow of water / nitrogen gas, and the liquid feed pump 505 generates the nitrogen gas phase. After preliminary pulverization, the liquid processing nozzle 1 dissolves the nitrogen gas and pulverizes it into fine bubbles, and returns to the tank 502. Thereafter, while the water 502 in the tank is circulated, the nitrogen gas is continuously dissolved and pulverized into fine bubbles, so that the dissolved concentration of nitrogen gas or the formation concentration of fine bubbles is increased. The circulating water thus obtained is recovered from an outlet 503 having a valve 504 provided in the tank. As a result, the raw material water 502 can be dissolved in nitrogen, and thus deoxygenated. By increasing the dissolution efficiency of nitrogen gas, the oxygen concentration of the raw water 502 can be reduced with a smaller nitrogen gas flow rate and circulation time.
Further, if the circulation is continued while supplying nitrogen gas even after the nitrogen concentration reaches the saturation value, the dissolved nitrogen concentration reaches a peak, but the formation concentration of fine bubbles continues to increase. As a result, there is no significant difference in the dissolved nitrogen concentration itself compared to water in which nitrogen gas is dissolved only by pressurization, for example. The duration of the dissolved nitrogen concentration is considerably longer than that of water in which nitrogen gas is merely dissolved due to the large amount of fine bubble nitrogen (nitrogen nanobubbles or colloidal nitrogen). As a result, a low dissolved oxygen concentration state can be maintained for a long time. Since the liquid processing nozzle 1 has the above-described standard configuration, the pump water pressure on the inlet side of the liquid processing nozzle 1 is, for example, 0.015 MPa or more and 0.3 MPa or less, and the nitrogen / water flow rate ratio Q1 / Q2 is set to 0.00. The concentration of dissolved oxygen in water can be 1 ppm or less, for example, from 1 to 0.3, for example, up to about 3 cycles. By introducing such oxygen-reduced water into the cleaning of the produced food (particularly a vegetable washer), oxidation is suppressed by oxygen, which greatly contributes to improving the freshness of the food to be cleaned. In addition, ice obtained by freezing oxygen-reduced water is called nitrogen ice, and when used for low-temperature storage of fresh fish or the like, it also exerts great power in maintaining its freshness. Further, the raw water 502 can be an alcoholic beverage such as liquor or wine. As a result, oxygen dissolved before circulation is discharged by nitrogen substitution, and the alcohol beverage can be prevented from being oxidized. Thereby, it becomes possible to reduce or abolish the addition amount of antioxidants such as nitrite that have been added to the antioxidant of beverages. As a result of the introduction of a large amount of nitrogen fine bubbles, the oxygen concentration in the alcoholic beverage is less likely to increase thereafter, and long-term quality maintenance is possible. Note that hydrogen can be used instead of nitrogen.
In FIG. 32, when an oxygen cylinder 440 is used instead of the nitrogen cylinder 430, the raw water 502 can be dissolved in oxygen. The dissolved oxygen concentration can be significantly increased with a small oxygen gas flow rate and circulation time. In place of the tank 501, it can be used as a fish breeding tank or a ginger for curing live fish (including shellfish), and even if oxygen consumers such as fish and shellfish are present, the oxygen gas flow rate can be reduced. Highly dissolved oxygen concentration can be maintained, which in turn contributes greatly to maintaining the freshness of fish and shellfish, or improving rearing density. As the gas, pure oxygen may be used, or when using raw water deficient in oxygen from the beginning, a mixed gas of nitrogen and oxygen such as air may be used. When a liquid processing nozzle having a standard configuration is used, when the oxygen flow rate for forming the multiphase flow having the above-described configuration is Q1 and the water flow rate is Q2, the pump water supply pressure on the inlet side of the liquid processing nozzle 1 is set to 0. By circulating and supplying 015 MPa to 0.3 MPa and an oxygen / water flow rate ratio Q1 / Q2 of 0.1 to 0.3, the dissolved oxygen concentration of water can be increased to 10 ppm to 40 ppm. In addition to the cylinder, the oxygen gas source or the nitrogen gas source may be a PSA (Pressure Swing Adsorption) type oxygen concentrator or a nitrogen concentrator, or a liquid for large-scale gas dissolution. It is also possible to use a vaporized gas generator using oxygen or liquid nitrogen.
The apparatus 560 of FIG. 33 is a modification of the apparatus of FIG. 32 so as to be able to circulate and dissolve ozone (the same reference numerals are given to parts common to the apparatus 550 of FIG. 32, and description thereof is omitted). ). First, as an ozone generation source, a source of oxygen gas as a raw material, here, an oxygen cylinder 440 and an ozone generator (ozonizer) 563 that ozonizes oxygen from the oxygen cylinder are provided, and a gas supply tube 412 is provided. Is supplied from an ozone generator 563 with, for example, an ozone-containing gas having a concentration of 10 ppm to 100 ppm (oxygen that has not been ozonized except for ozone). By performing the circulation treatment in the same manner as in FIG. 32, the raw water can be made into ozone water containing fine bubbles of ozone / oxygen mixture. In the case of using a liquid processing nozzle having a standard configuration, when the ozone flow rate for forming the multiphase flow having the above-described configuration is Q1 and the water flow rate is Q2, the pump water supply pressure on the inlet side of the liquid processing nozzle 1 is 0. By circulating and supplying the ozone-containing gas / water flow ratio Q1 / Q2 between 0.1 and 0.3 MPa in the range of 0.1 to 0.3 MPa, the dissolved ozone concentration of water is, for example, 1 ppm or more (although there is no limit on the upper limit). For example, 20 ppm or less). Since most of the gas phase in the gas-liquid mixed phase flow to be circulated is oxygen, the waste oxygen / ozone mixture (hereinafter referred to as waste ozone gas) that has not dissolved floats in the tank 501. Therefore, in this embodiment, a waste ozone gas return path 413 is provided to return the recycled waste ozone gas to the ozone generator and reuse it, thereby effectively utilizing oxygen and ozone. Note that air can also be used as the oxygen source.
It is known that dissolved ozone water generally disappears in about several minutes, for example, about 5 ppm due to decomposition of ozone when exposed to the atmosphere (particularly under ultraviolet irradiation). However, when the method of the present invention is used, even when ozone is dissolved, the resulting ozone water contains a large amount of fine bubbles containing ozone. Thereby, the duration of the dissolved ozone concentration when exposed to the atmosphere can be dramatically increased.
(Embodiment 5)
When carbon dioxide is dissolved, an aqueous sodium hypochlorite solution can be used as water. As a result, the pH value of the aqueous sodium hypochlorite solution is maintained at a weak acidity of, for example, about 4.3 to 6, and the concentration of hypochlorous acid in a dissociated state effective for sterilization and disinfection can be greatly increased. The fluctuation in pH value can be reduced by the pH buffering action unique to carbonic acid. The sodium hypochlorite aqueous solution has a hypochlorite ion concentration of 10 ppm or more and 1000 ppm or less (particularly preferably 30 ppm to 200 ppm or less), and a dissolved concentration of carbon dioxide gas is 200 ppm or more and 1500 ppm or less.
For example, a sodium hypochlorite aqueous solution having a target concentration is prepared in advance, stored in a tank or the like (not shown), and sent from the liquid inflow pipe connecting portion 202B side of the gas dissolving device 200 of FIG. 28 using an external pump or the like. The solution is dissolved to dissolve carbon dioxide gas, and the pH of the sodium hypochlorite aqueous solution is adjusted to 4.3 to 6, and then taken out from the liquid discharge pipe connecting portion 202A side and used for disinfection.
On the other hand, without using the sodium hypochlorite aqueous solution, the carbon dioxide gas may be dissolved in normal water using the gas dissolving apparatus 200 of FIG. 28, and the sodium hypochlorite aqueous solution may be added later. If it does in this way, especially the chemical-resistance required for the material of the collision part (screw member) of a liquid processing nozzle can be reduced significantly. In this case, a sodium hypochlorite aqueous solution whose pH has been adjusted by adding a sodium hypochlorite aqueous solution having a concentration higher than the target concentration to the water in which the carbon dioxide gas is dissolved, taken out from the liquid discharge pipe connecting portion 202A side. Can be used.
On the other hand, an apparatus incorporating a sodium hypochlorite aqueous solution supply unit for quantitatively supplying a sodium hypochlorite aqueous solution to water in which carbon dioxide gas delivered from the liquid processing nozzle is dissolved in the gas dissolving device 260 of FIG. It is also possible to configure. An apparatus 270 in FIG. 34 shows an example, and a sodium hypochlorite aqueous solution supply unit 310 includes an aqueous solution tank 311 for holding a sodium hypochlorite aqueous solution and an aqueous solution incorporated downstream of the liquid processing nozzle 71. A supply nozzle 317 and a liquid feed pump 312 for quantitatively feeding the sodium hypochlorite aqueous solution in the aqueous solution tank 311 to the aqueous solution supply nozzle 317 are provided. In this embodiment, the aqueous solution supply nozzle 317 is configured by using a tee joint (which may be a venturi-type ejector), a liquid introduction joint 330 is attached to the branch opening, and the liquid supply pipe 314 from the aqueous solution tank 311 is fed. It is attached to a liquid introduction joint 330 via a liquid pump 312. The rest of the configuration and basic operation are the same as in FIG. 28, and the same reference numerals as in FIG. 26 are assigned to the common components.
When the power switch 214 is turned on, the pump 218 operates, and the carbon dioxide gas is dissolved by the liquid processing nozzle 71 in the same operation as in FIG. 29 while taking the raw water from the liquid inflow pipe connecting portion 202B side. At the same time, the liquid feed pump 312 operates, and a sodium hypochlorite aqueous solution is quantitatively injected from the aqueous solution supply nozzle 317 downstream of the liquid processing nozzle 71. The flow rate of the liquid feed pump 312 depends on the concentration of the sodium hypochlorite aqueous solution to be added and the flow rate of the raw material water fed by the pump 218, and the hypochlorite ion concentration obtained on the liquid discharge pipe connecting portion 202A side is It is set to be 10 ppm or more and 1000 ppm or less.
It is also possible to configure so that the supply / stop of carbon dioxide gas can be switched manually or automatically during the injection of the sodium hypochlorite aqueous solution. In FIG. 35, as indicated by a two-dot chain line, a changeover switch 331 is added, and the control board 201 receiving the changeover signal Sc opens and closes the electromagnetic valve 208 in the same manner as the operation of the foot switch 216 in the apparatus 200 of FIG. Switch between carbon dioxide supply and stop. In this manner, weakly acidic hypochlorous acid water having a high sterilization property is obtained from the liquid discharge pipe connecting portion 202A in the carbon dioxide gas supply mode, and alkaline hypochlorous acid having a high detergency in the carbon dioxide gas stop mode. A sodium aqueous solution (that is, a solution obtained by simply diluting the sodium hypochlorite water in the tank 311 with the raw water supplied by the pump 218) is obtained. For example, using an alkaline sodium hypochlorite aqueous solution obtained in the carbon dioxide gas stop mode, after first cleaning and removing oils and fats and protein stains, the mode is switched to the carbon dioxide gas supply mode to weakly acidic hypochlorous acid. It can contribute to the maintenance of a higher level of hygiene, such as sterilization with water.
 以下、本発明の液体処理ノズルの効果を確認するために種々の試験を行った。
(実施例1)
 ノズルの形態はガス溶解を行わない試験については図1に示すノズル1を、ガス溶解を行う試験については図1を援用して示すノズル171(図26)を使用した。ガス導入孔28については、内径をφ2mmにて形成している。ノズル本体2の材質はABS樹脂であり、液体入口4と液体出口5の内径はφ14mm、流入室6及び流出室7の流れ方向の長さはそれぞれ30mmである。コア部COREについては、絞り孔9の長さは5.3mm、絞り孔9の内径Dはφ2.1~φ8.0mm種々の値に設定した。
 ねじ部材の配置は図2に示す形態(表3~表6)及び図6に示す形態(表1、2:ただし、液体流通ギャップは形成せず)とした。ねじ部材はいずれも、ねじ外径M1.0~M2.0、ねじ谷深さが0.25~0.4mmの種々の寸法のものを使用した。そして、絞り孔内径Dとの組み合わせにより、全流通断面積Stを1.23~40.27mmの種々の値とした。そして、図3及び図7のような絞り孔内のねじレイアウトの写真画像を撮影し、その流通領域のピクセル数に基づいて全流通断面積Stを算定するとともに、同画像上で谷点を基準円の内外に分けて計数した。この全谷点数をNt、基準円内側の70%谷点数をN70とする。
 以上の各ノズルの全流通断面積St、液体流通ギャップ断面積Sc、70%断面積S70(全流通断面積Stのうち、基準円C70の内側に位置する部分)、70%断面比率σ70(≡S70/St)、前述の(1)式に基づくねじ谷深さ補正係数α、補正済全谷点数(α・Nt)、補正済70%谷点数(α・N70及びα・(σ70/50)・N70)、補正済70%補谷点数(≡α・(Nt−N70)・0.38=α・0.38Nc70))及び有効谷点数Ne(≡α・(0.38Nc70+(σ70/50)・N70)の値を表1~表6にまとめて示している。なお、表中*を付与した寸法ないしパラメータの値は本発明の範囲外となっていることを示すものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
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Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
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 上記ノズルを用いて、以下の各試験を行った。
(1)一定水圧での流量の測定
 元圧0.2MPaの水道蛇口から延びる配管を各ノズルの流入口側に接続し、かつ、その入口側に水圧計を取り付けた。そして、その状態で水道蛇口の開きを、水圧計の指示圧が0.1MPaとなるように調整し、ノズルの流出口から流出する水道水(溶存酸素濃度:8ppm)の流量(水流量Q:L/min)を測定した。その結果を、前述の有効谷点数Neを該流量Qで除した値Ne/Qの値とともに表1~表6に合わせて記載している。
(2)平均気泡径の測定
 (1)にて、ノズルの流出口から流出する水道水をレーザー回折式粒度分布測定装置((株)島津製作所:SALD7100H)の測定セルに導き、平均気泡径を測定した。ノズルから流出した水は1Lのビーカーに採取した後、1分間放置して粗大な気泡を浮上させたのち測定に供している。レーザー回折式粒度分布測定装置は、測定セルにレーザー光ビームを一定角度で入射し、気泡と水との屈折率差及び気泡径に応じ、気液界面で生じる光散乱の立体的な散乱分布が異なることを利用して、角度別の散乱光強度を個別の光検出器により検出し、各センサの検出強度分布から気泡径分布に係る情報を得るものである。得られる分布は体積気泡径分布であるが、装置付属のソフトウェアにより、気泡を球形近似することにより数平均径分布に変換し、これに基づいて算出した数平均気泡径を表示している。また、上記測定装置にはセルを通過するレーザー光の吸光度を測定する機能が付随しており、この吸光度が高いほどセル内には高濃度で気泡が存在することを意味する。該吸光度の値は相対的なものであり、気泡濃度の絶対値の情報は得られないが、同時に測定する複数試料の気泡濃度を相対的に比較することが可能であり、各表には該吸光度の値も合わせて表示している(なお、装置が表示する吸光度の最大値は0.2である)。
(3)頭髪の水分吸収及び蒸発挙動の測定
 評価用頭髪試料として人毛白髪(100%)(BS−C、(株)ビューラックス製)を用い、毛髪試料2gの根元を束ねたものを用意した。(1)にて、ノズルの流出口から流出する水道水を500ccのビーカーにとり、毛髪試料を浸漬してよくなじませ、10分間保持した。次いで、試料を取り出し、水分をタオルペーパーで吸い取ったあと、市販のドライヤーで1分間、指先に湿り気が感じられなくなる程度に乾燥させた。乾燥後の試料は、それぞれ2重チャック付ポリ袋に密封し保管した。こうして準備した毛髪試料を加熱重量減量法による水分蒸発挙動測定に供した。具体的には、3センチ長さに切りそろえた試料を各々2g秤量し、市販の熱天秤装置(島津製作所製)のチャンバーにセットした。次いでチャンバー内を80℃まで昇温して15~30分保持し、1分間隔にて重量変化を測定した。重量減少がほぼ一定になったのを確認した後、チャンバー内を120℃に昇温し、さらに10分保持して1分間隔にて重量変化を測定した。この重量変化曲線から、後述の方法により毛髪中の自由水および束縛水の重量比率を算出した。
(4)炭酸ガス溶解テスト
 図28のガス溶解装置200のノズル71として表1の種々のノズルを組み込み、給湯器を用いて水温35℃の温水を、液供給管接続部202B側に取り付けた水圧計にて動水圧が0.1MPaとなるように調整し流しつつ、ガス供給口継手211から炭酸ガスを、供給圧0.2MPa、炭酸ガス流量が水流量の70%となるように供給することにより、炭酸ガスを溶解させ温水を液流出管接続部202Aに接続したホースより回収して、市販の炭酸ガス濃度計を用いて炭酸ガス濃度を測定した。
(5)窒素ガス溶解テスト
 図32に示す装置550に表1の種々のノズル(ただし、ガス導入孔なし)を組み込み、タンク501を30Lの水道水(溶存酸素濃度8ppm)で満たすとともに、ポンプ循環流量をノズル1とポンプ505との間で測定した供給圧が0.1MPaとなるように調整した。この状態でガス導入部219から窒素ガスを、供給圧力0.3MPa、窒素ガス流量が常圧換算にて循環流量の20%となるように調整しつつ供給して窒素ガス溶解を行うとともに、タンク内の水の溶存酸素濃度を光学式溶存酸素計にて継続的に測定し、酸素濃度が1ppm未満の値となるまでに要する時間を特定した。
(6)酸素ガス溶解テスト
 図32に示す装置550に表1の種々のノズル(ただし、ガス導入孔なし)を組み込み、周知の減圧脱気処理により脱酸素した水30Lにてタンク501を満たすとともに、ポンプ循環流量をノズル1とポンプ505との間で測定した供給圧が0.1MPaとなるように調整した。この状態でガス導入部219から純酸素ガスを、供給圧力0.3MPa、酸素ガス流量が常圧換算にて循環流量の20%となるように調整しつつ供給して酸素ガス溶解を行った。循環時間は、タンク内精製水の体積をポンプ循環流量で除した時間と等しくなるように定めた。循環停止後、酸素ガス溶解済みの水を取出口503から開口径18cmの樹脂製ビーカーに5Lだけ直ちに採取し、光学式溶存酸素計にて溶存酸素を測定した。
 以下、得られた結果について説明する。
(A)微細気泡の発生効率について
 表1~表6の各ノズルについて、ねじの外径や谷深さ、絞り孔の断面積などが種々に設定されていても、有効谷点密度Ne/Stの値と対応付けて微細気泡の測定結果を整理すると、Ne/Stの値が1.5個/mm以上確保されているノズルについては、次のことがわかる。
・レーザー散乱式粒度計による気泡数平均径の値がおおむね200nm以下と非常に小さい。
・Ne/Stの値が1.5個/mm未満のものと比較して、微細気泡の濃度を反映した吸光度の値が例外なく大きくなっており、微細気泡発生効率に優れていることが明らかである。
 また、表1及び表2に示す図7型のねじ配置を有するノズルについては、液体流路の内径Dをおおむね2mm以上4.5mm以下(望ましくは2mm以上3.5mm以下)に設定し、全流通断面積Stを1.2mm以上10mm以下(望ましくは1.2mm以上5mm以下)に設定しつつ、ねじ部材の外径をM1.2以上M1.6、谷深さ0.25mm以上0.35mm以下に選定したときに、有効谷点密度の値が顕著に大きくなっており、より良好な微細気泡発生効率を達成できていることがわかる。一方、表3~表6に示す図4型のねじ配置を有するノズルについては、液体流路の内径Dをおおむね2.5mm以上7mm以下(望ましくは2.9mm以上5.5mm以下)に設定し、全流通断面積Stを2.5mm以上35mm以下(望ましくは4mm以上13mm以下)に設定しつつ、ねじ部材の外径をM1.2以上M1.6、谷深さ0.25mm以上0.35mm以下に選定したときに、有効谷点密度Neの値が顕著に大きくなっており、より良好な微細気泡発生効率を達成できている。図7型のノズルよりも、大流量での微細気泡発生効率が向上していることが明らかである。
(B)頭髪の水分吸収及び蒸発挙動
 表1~表6のノズルによる各処理水のうち、代表的なものとして、表4の番号106(実施例:有効谷点密度2.8)、番号107(実施例:有効谷点密度2.2)、及び番号110(比較例:有効谷点密度1.2)についての頭髪試料の水分蒸発に伴う重量減少曲線を、図35に比較して示す。また、図36~図38は、各ノズルの重量減少曲線を個別に示すものである。有効谷点密度の高いノズルによる処理水ほど、水分の蒸発速度が明らかに遅いことがわかる。
 この重量減少曲線の形態には、頭髪を構成するたんぱく質高分子と水との結合状態が反映されている。これについて、以下に詳しく説明する。例えば、上記ノズルで得られる温水をシャワーから噴射しつつ洗髪に供すると、有効谷点密度の高いノズルによる処理水ほど、髪や肌への水分の浸透性が上がったり、洗浄後の毛髪の乾燥速度が向上したりすると体感する被験者が、非常に多いことがわかっている。こうした傾向は、水の中に微小気泡が介在することによる効果のみでは説明がつかない部分があるようにも思われる。具体的には、微細気泡測定の結果から、ナノ域の微小気泡を多量に含んだ水になっていることは確かであるが、水の物理的な性状、特に、分極分子である水の集団的(統計的)な振る舞いにナノバブルが関与し、水の浸透力等が増している可能性があるとも考えられるのである。
 ぬれた毛髪や卵白などのタンパク質に保持される水分は、水の沸点以下の一定温度に保って水分を蒸発させるとき、その水分の蒸発に伴う重量減少速度は一定にならず、具体的には、重量減少速度が段階的に縮小する特有のカスプ形状の曲線に従う挙動を示すことが知られている。毛髪に含まれた水分の蒸発挙動が、水分子の毛髪半径方向の拡散に支配されている場合は、重量減少曲線は補誤算関数に従う滑らかな曲線形状となるはずである。しかし、実際に測定により得られた重量減少曲線は、図36~図38に示すように、時間とともに蒸発速度がほぼ一定となる直線区間を含むものである。これは、毛髪内部において、拡散ではない水分子と毛髪分子との何らかの相互作用が蒸発挙動を律速していることを意味するものであり、最終段階で蒸発する、重量減少速度の小さい区間で蒸発する水ほど、タンパク質分子との相互作用により蒸発が阻害されていることを意味する。
 具体的には、ぬれた毛髪に含まれる水は次のような種別に分類され、この順番で蒸発速度が大きくなることが知られている。
1)バルク水
 毛髪を構成するたんぱく質高分子構造の外で、マクロ的かつ物理的に保持されており、毛髪を構成するたんぱく質高分子との相互作用がほとんど影響していない水。髪の毛と髪の毛との間の空間や、髪表面のキューティクルの凹凸などに保持されている水であり、統計的に把握される水分子の集団規模が比較的大きくなっていると考えられる。
2)自由水
 高分子構造の内部に取り込まれてはいるが、高分子との間の相互作用の影響が小さく、水分子の集団規模がバルク水とおおむね同程度となって毛髪内に保持さている水。実質的にはバルク水に近い存在状態にあると考えられる。
 バルク水や自由水は、頭髪の場合、手で触った時に「髪の毛が濡れている」と感じさせる水分であり、バルク水は水滴状であって、試料調製時にタオルペーパー吸い取られる水、自由水は、ドライヤーにて乾燥させた時、髪の濡れを感じさせなくなるまでの、換言すれば、被験者が「髪が適度に乾いた」と感じてドライヤー乾燥を終了させるまでに、髪から蒸発する水分であると考えられる。
3)束縛水
 たんぱく質高分子鎖に対し、分子間力的相互作用が強く及ぶ領域まで接近し、その相互作用により水分子の緩やかな集団結合が解かれつつ保持されている水。この水が蒸発するには、たんぱく質高分子鎖との分子間力に打ち勝って水分子が運動する必要があり、蒸発速度は自由水より大幅に低くなる。
4)不凍水
 たんぱく質高分子鎖に対し、水素結合により強国に結合している水。水分子に含まれる水素原子は正に分極帯電しており、これがたんぱく質高分子鎖に対し分子間力よりもはるかに高い力で束縛される。すなわち、不凍水を構成する水分子は、たんぱく質高分子鎖に対し準化学的に一体化した状態となるため、水の沸点以下の温度では蒸発しない。
 束縛水は、たんぱく質構造の深部に浸透し、髪の潤い、つや、柔らかさ、しなやかさ、手やブラシの通りなど、良質の毛髪状態を創出する外観や手触り等の様々な因子を支配していると考えられる。上記のようなタンパク質中の水分の存在形態と含有量を、タンパク質が保持する水分蒸発に伴う重量減少曲線から見積もる手法は、すでに非特許文献1で提唱されて久しく、非特許文献2をはじめとするさまざまな研究に引用され、タンパク質の力学物性(たとえば硬さなど)と水分量との関係を究明する上で重要なツールとなっている。
 図36の重量減少曲線を例にとって説明すると、蒸発の初期段階では、バルク水、次いで自由水が蒸発するのに伴い勾配の異なる直線区間が現れ、その後、重量減少速度が減じて束縛水に対応した直線区間が現れる(なお、バルク水については、タオルペーパーによる拭き取りと測定機へのセッティング中の蒸発とにより相当量が失われ、曲線に現れない場合も多い)。そして、80℃保持による重量減少がほぼ平衡したのち、120度に昇温すると不凍水の蒸発に伴うステップ状の重量減少が現れる。自由水の蒸発期間内も束縛水は、束縛水の直線区間内と同じ速度で蒸発が進行していると考えられるから、自由水および束縛水の重量含有率は、各直線区間を時間ゼロ側に外挿した重量軸切片の差分として算出することができる。
 図36~図38には、各ノズルでの重量減少曲線から、頭髪中の束縛水と自由水の含有率を算出した結果を合わせて示している。そして、表1~表6には、各ノズルの処理水について算出した束縛水と自由水の重量含有率(Wb、Wf)及びその合計Wb+Wfの値を示している。この結果をみると、有効谷点密度の高いノズルによる処理水ほど、頭髪に作用させた時の束縛水の重量比率が高まっていることがわかる。また、注目すべきは、頭髪を水で濡らした場合、束縛水と自由水の重量含有率の合計は、使用したノズルの有効谷点密度によらず25~30%程度の間で一定していることである。これは、頭髪に浸透する水分の量はほぼ一定であるが、本発明により微細気泡の発生効率が特に高まるように処理した水は、束縛水に転換される水の量が増えるということを意味している。また、このことは「濡れ」の触感を創出する自由水の量は減ることを意味するから、ドライヤー乾燥時に乾燥時間が短縮できるように感じられる被験者の体感とも一致する。従来、頭髪の保湿性の向上は、頭髪に浸透する水分の絶対量が増えることによりもたらされると考えられてきた。しかし、ノズルの有効谷点密度を1.5個/mm以上確保した本発明のノズルにおいては、髪に浸透する水分の絶対量よりも、上記の測定によって把握される束縛水重量、すなわち毛髪を構成するたんぱく質分子の立体構造の深部まで浸透する水の量が増加する、という明らかに新たな効果が生じていることが明白である。
(C)ガスの溶解効率について
 表1~表6の結果から、有効谷点密度Neが大きいノズルほど、炭酸ガス濃度及び溶存酸素濃度はいずれも高く、ガス溶解能力が向上することがわかる。また、窒素の場合、溶存酸素濃度が1ppmに到達するまでの時間が、有効谷点密度Neが大きいノズルほど短く、窒素置換による脱酸素能力が向上することがわかる。
Hereinafter, various tests were performed to confirm the effect of the liquid treatment nozzle of the present invention.
(Example 1)
As the nozzle configuration, the nozzle 1 shown in FIG. 1 was used for the test in which gas was not dissolved, and the nozzle 171 (FIG. 26) shown in FIG. 1 was used for the test in which gas was dissolved. The gas introduction hole 28 has an inner diameter of φ2 mm. The material of the nozzle body 2 is ABS resin, the inner diameter of the liquid inlet 4 and the liquid outlet 5 is φ14 mm, and the lengths of the inflow chamber 6 and the outflow chamber 7 in the flow direction are 30 mm. Regarding the core part CORE, the length of the throttle hole 9 was set to 5.3 mm, and the inner diameter D of the throttle hole 9 was set to various values of φ2.1 to φ8.0 mm.
The screw members were arranged in the form shown in FIG. 2 (Tables 3 to 6) and in the form shown in FIG. 6 (Tables 1 and 2: However, no liquid flow gap was formed). All of the screw members were of various dimensions having a screw outer diameter of M1.0 to M2.0 and a thread valley depth of 0.25 to 0.4 mm. The total flow cross-sectional area St was set to various values of 1.23 to 40.27 mm 2 in combination with the throttle hole inner diameter D. Then, a photograph image of the screw layout in the aperture hole as shown in FIG. 3 and FIG. 7 is taken, and the total distribution cross section St is calculated based on the number of pixels in the distribution region, and the valley point is referenced on the image. Counted separately inside and outside the circle. The total valley score is Nt, and the 70% valley score inside the reference circle is N 70 .
Total flow cross-sectional area St, liquid flow gap cross-sectional area Sc, 70% cross-sectional area S 70 (portion located inside reference circle C 70 of total flow cross-sectional area St), 70% cross-sectional ratio σ 70 (≡S 70 / St), thread valley depth correction coefficient α based on the aforementioned equation (1), corrected total valley score (α · Nt), corrected 70% valley score (α · N 70 and α · N (σ 70/50) · N 70), corrected to 70% Hotani number (≡α · (Nt-N 70 ) · 0.38 = α · 0.38Nc 70)) and the effective valley points Ne (≡α · represents the value of (0.38Nc 70 + (σ 70/ 50) · N 70) are summarized in tables 1 to 6. the value of the dimensions or parameters granted in the table * are outside the scope of the present invention It shows that it is.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
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The following tests were performed using the nozzle.
(1) Measurement of flow rate at a constant water pressure A pipe extending from a water tap with a source pressure of 0.2 MPa was connected to the inlet side of each nozzle, and a water pressure gauge was attached to the inlet side. In this state, the opening of the water tap is adjusted so that the indicated pressure of the water pressure gauge becomes 0.1 MPa, and the flow rate of water (dissolved oxygen concentration: 8 ppm) flowing out from the outlet of the nozzle (water flow rate Q: L / min) was measured. The results are shown in Tables 1 to 6 together with the value Ne / Q obtained by dividing the number of effective valley points Ne by the flow rate Q.
(2) Measurement of average bubble diameter In (1), tap water flowing out from the nozzle outlet is led to a measurement cell of a laser diffraction particle size distribution measuring device (Shimadzu Corporation: SALD7100H), and the average bubble diameter is determined. It was measured. The water flowing out from the nozzle is collected in a 1 L beaker and then left for 1 minute to float coarse bubbles and then used for measurement. The laser diffraction particle size distribution measuring device makes a laser light beam incident on a measurement cell at a certain angle, and a three-dimensional scattering distribution of light scattering generated at the gas-liquid interface according to the refractive index difference between the bubble and water and the bubble diameter. By utilizing the difference, scattered light intensity for each angle is detected by an individual photodetector, and information related to the bubble diameter distribution is obtained from the detected intensity distribution of each sensor. The obtained distribution is a volume bubble size distribution, but the software attached to the apparatus converts the bubble into a spherical shape by converting it into a spherical shape, and the number average bubble size calculated based on this is displayed. Further, the measuring device is accompanied by a function for measuring the absorbance of the laser light passing through the cell, and the higher the absorbance, the higher the concentration of bubbles in the cell. The absorbance value is a relative value, and information on the absolute value of the bubble concentration cannot be obtained. However, it is possible to relatively compare the bubble concentrations of a plurality of samples to be measured simultaneously. The absorbance value is also displayed together (note that the maximum absorbance displayed by the device is 0.2).
(3) Measurement of moisture absorption and evaporation behavior of hair Using human white hair (100%) (BS-C, manufactured by Beaulux Co., Ltd.) as a hair sample for evaluation, prepared a bundle of hair samples 2g. did. In (1), tap water flowing out from the outlet of the nozzle was placed in a 500 cc beaker, and the hair sample was dipped well and held for 10 minutes. Next, the sample was taken out, blotted with towel paper, and then dried with a commercially available dryer for 1 minute so that no moisture was felt on the fingertips. Each dried sample was sealed and stored in a plastic bag with a double chuck. The hair sample thus prepared was subjected to moisture evaporation behavior measurement by the heating weight loss method. Specifically, 2 g of each sample cut to a length of 3 cm was weighed and set in a chamber of a commercially available thermobalance device (manufactured by Shimadzu Corporation). Next, the temperature in the chamber was raised to 80 ° C. and held for 15 to 30 minutes, and the change in weight was measured at 1 minute intervals. After confirming that the weight loss became almost constant, the temperature in the chamber was raised to 120 ° C., and held for another 10 minutes, and the change in weight was measured at 1 minute intervals. From this weight change curve, the weight ratio of free water and bound water in the hair was calculated by the method described later.
(4) Carbon dioxide dissolution test Various nozzles shown in Table 1 were incorporated as the nozzles 71 of the gas dissolution apparatus 200 of FIG. 28, and hot water having a water temperature of 35 ° C. was attached to the liquid supply pipe connection 202B side using a water heater. Supply the carbon dioxide gas from the gas supply port joint 211 so that the dynamic water pressure is adjusted to 0.1 MPa so that the supply pressure is 0.2 MPa and the carbon dioxide gas flow rate is 70% of the water flow rate. Thus, carbon dioxide gas was dissolved and the hot water was collected from the hose connected to the liquid outflow pipe connecting portion 202A, and the carbon dioxide concentration was measured using a commercially available carbon dioxide concentration meter.
(5) Nitrogen gas dissolution test Various nozzles shown in Table 1 (but no gas introduction holes) are incorporated in the apparatus 550 shown in FIG. 32, and the tank 501 is filled with 30 L of tap water (dissolved oxygen concentration 8 ppm) and pump circulation. The flow rate was adjusted so that the supply pressure measured between the nozzle 1 and the pump 505 was 0.1 MPa. In this state, nitrogen gas is supplied from the gas introduction part 219 while adjusting the supply pressure to 0.3 MPa and the nitrogen gas flow rate to be 20% of the circulation flow rate in terms of normal pressure to dissolve the nitrogen gas, and the tank The dissolved oxygen concentration in the water was continuously measured with an optical dissolved oxygen meter, and the time required for the oxygen concentration to become less than 1 ppm was specified.
(6) Oxygen gas dissolution test Various nozzles (but no gas introduction holes) shown in Table 1 are incorporated in the apparatus 550 shown in FIG. 32, and the tank 501 is filled with 30 L of water deoxygenated by a known vacuum degassing process. The pump circulation flow rate was adjusted so that the supply pressure measured between the nozzle 1 and the pump 505 was 0.1 MPa. In this state, pure oxygen gas was supplied from the gas introduction part 219 while adjusting the supply pressure to 0.3 MPa and the oxygen gas flow rate to be 20% of the circulation flow rate in terms of normal pressure, thereby dissolving oxygen gas. The circulation time was determined to be equal to the time obtained by dividing the volume of purified water in the tank by the pump circulation flow rate. After the circulation was stopped, 5 L of water dissolved with oxygen gas was immediately taken from a outlet 503 into a resin beaker having an opening diameter of 18 cm, and dissolved oxygen was measured with an optical dissolved oxygen meter.
Hereinafter, the obtained results will be described.
(A) About the generation efficiency of fine bubbles For each nozzle in Tables 1 to 6, the effective valley point density Ne / St, even if the outer diameter and depth of the screw, the cross-sectional area of the throttle hole, etc. are variously set. When in association with values to organize the measurement results of the micro-bubbles, for the nozzles which the value of Ne / St is ensured 1.5 / mm 2 or more, the following can be found.
・ The average number of bubbles measured by a laser scattering particle size meter is very small, approximately 200 nm or less.
-Compared with the Ne / St value of less than 1.5 / mm 2, the absorbance value reflecting the concentration of fine bubbles is increased without exception, and the fine bubble generation efficiency is excellent. it is obvious.
For the nozzles having the screw arrangement of FIG. 7 shown in Table 1 and Table 2, the inner diameter D of the liquid flow path is set to approximately 2 mm to 4.5 mm (preferably 2 mm to 3.5 mm), and all While setting the flow sectional area St to 1.2 mm 2 to 10 mm 2 (preferably 1.2 mm 2 to 5 mm 2 ), the outer diameter of the screw member is M1.2 to M1.6, and the valley depth is 0.25 mm. When the value is selected to be 0.35 mm or less, the value of the effective valley point density is remarkably increased, and it can be seen that better fine bubble generation efficiency can be achieved. On the other hand, for the nozzles having the screw arrangement of FIG. 4 shown in Tables 3 to 6, the inner diameter D of the liquid flow path is set to about 2.5 mm to 7 mm (preferably 2.9 mm to 5.5 mm). , While setting the total flow sectional area St to 2.5 mm 2 to 35 mm 2 (preferably 4 mm 2 to 13 mm 2 ), the outer diameter of the screw member is M1.2 to M1.6, and the valley depth is 0.25 mm. When the value is selected to be 0.35 mm or less, the value of the effective valley point density Ne is remarkably increased, and better microbubble generation efficiency can be achieved. It is clear that the fine bubble generation efficiency at a large flow rate is improved as compared with the nozzle of FIG.
(B) Moisture absorption and evaporation behavior of hair Among the treated waters from the nozzles of Tables 1 to 6, as representative ones, the numbers 106 (Example: effective valley density 2.8) and 107 in Table 4 FIG. 35 shows a weight loss curve associated with moisture evaporation of the hair sample for (Example: effective valley point density 2.2) and No. 110 (comparative example: effective valley point density 1.2). FIG. 36 to FIG. 38 individually show the weight reduction curves of the respective nozzles. It can be seen that the rate of water evaporation is clearly slower as the water is treated with a nozzle having a higher effective valley point density.
The form of the weight reduction curve reflects the binding state between the protein polymer constituting the hair and water. This will be described in detail below. For example, when hot water obtained from the nozzle is sprayed from a shower and subjected to hair washing, the water treated by the nozzle having a higher effective valley point density increases the water permeability to the hair and skin, and the drying speed of the hair after washing It is known that there are very many subjects who feel that the improvement is achieved. It seems that this tendency cannot be explained only by the effect of microbubbles in the water. Specifically, from the measurement results of microbubbles, it is certain that the water contains a large amount of microbubbles in the nano range, but the physical properties of water, especially the population of water that is polarized molecules, It is thought that nanobubbles are involved in target (statistical) behavior, and the water penetration ability may increase.
When the moisture retained in proteins such as wet hair and egg white is kept at a constant temperature below the boiling point of water to evaporate the moisture, the rate of weight loss associated with the evaporation of the moisture is not constant. It is known to exhibit a behavior following a characteristic cusp-shaped curve in which the rate of weight reduction gradually decreases. If the evaporation behavior of the moisture contained in the hair is governed by the diffusion of water molecules in the radial direction of the hair, the weight reduction curve should have a smooth curve shape according to the compensation function. However, as shown in FIGS. 36 to 38, the weight reduction curve actually obtained by the measurement includes a straight section where the evaporation rate becomes substantially constant with time. This means that some interaction between water molecules and hair molecules that are not diffusing controls the evaporation behavior within the hair, and evaporates in the interval where the weight loss rate is low, which evaporates in the final stage. It means that the more water is, the more the evaporation is inhibited by the interaction with protein molecules.
Specifically, water contained in wet hair is classified into the following types, and it is known that the evaporation rate increases in this order.
1) Bulk water Water that is macroscopically and physically held outside the protein polymer structure that constitutes hair, and that has little influence on the interaction with the protein polymer that constitutes hair. It is the water held in the space between the hairs and the irregularities of the cuticles on the hair surface, and it is considered that the group size of water molecules statistically grasped is relatively large.
2) Free water Although it is taken into the polymer structure, the influence of the interaction with the polymer is small, and the group size of water molecules is almost the same as that of bulk water and is held in the hair. Water. It is considered to be in a state of being substantially close to bulk water.
Bulk water and free water are moisture that makes you feel that your hair is wet when you touch it with your hand. Bulk water is in the form of water droplets, and water that is absorbed by towel paper during sample preparation. Is the amount of moisture that evaporates from the hair until it no longer feels wet when it is dried with a dryer, in other words, when the subject feels that the hair has dried appropriately and finishes drying the dryer. It is thought that.
3) Constrained water Water that is approached to the region where the intermolecular force interaction is strongly applied to the protein polymer chain, and the loose collective bond of water molecules is released by the interaction and retained. For this water to evaporate, it is necessary for the water molecules to move overcoming the intermolecular force with the protein polymer chain, and the evaporation rate is significantly lower than that of free water.
4) Antifreeze water Water bound to strong countries by hydrogen bonds to protein polymer chains. The hydrogen atom contained in the water molecule is positively polarized and charged with a force much higher than the intermolecular force against the protein polymer chain. That is, the water molecules constituting the antifreeze water are in a semi-chemically integrated state with respect to the protein polymer chain, and therefore do not evaporate at a temperature below the boiling point of water.
Bound water penetrates deep into the protein structure and controls various factors such as appearance and feel that create a good hair condition, such as moisture, gloss, softness, suppleness, and the way of hands and brushes. It is thought that there is. The method for estimating the presence and content of water in the protein as described above from the weight loss curve accompanying water evaporation retained by the protein has been proposed in Non-Patent Document 1 for a long time. Cited by various studies, it has become an important tool in investigating the relationship between the mechanical properties of proteins (such as hardness) and the water content.
The weight reduction curve in FIG. 36 will be described as an example. At the initial stage of evaporation, a straight section with a different gradient appears as the bulk water and then free water evaporate, and then the weight reduction rate decreases to correspond to bound water. (For bulk water, a considerable amount is lost due to wiping with towel paper and evaporation during setting to the measuring machine, and often does not appear on the curve). Then, after the weight loss due to holding at 80 ° C. is almost balanced, if the temperature is raised to 120 ° C., a step-like weight loss accompanying evaporation of the antifreeze water appears. Since the bound water is considered to evaporate at the same rate as that in the straight section of the bound water during the free water evaporation period, the weight content of free water and bound water is zero for each straight section. It can be calculated as the difference of the weight axis intercept extrapolated to.
36 to 38 also show the results of calculating the contents of bound water and free water in the hair from the weight reduction curves at each nozzle. Tables 1 to 6 show the weight content (Wb, Wf) of the bound water and free water calculated for the treated water of each nozzle and the value of the total Wb + Wf. From this result, it can be understood that the weight ratio of the bound water when it is applied to the hair increases as the treated water is produced by the nozzle having a higher effective valley point density. Also, it should be noted that when the hair is wet with water, the total weight content of bound water and free water is constant between about 25-30% regardless of the effective valley point density of the nozzle used. It is that you are. This means that the amount of water penetrating into the hair is almost constant, but water treated with the present invention so as to increase the generation efficiency of fine bubbles in particular increases the amount of water converted to bound water. is doing. This also means that the amount of free water that creates the feeling of “wetting” is reduced, which is consistent with the body sensation of the subject who feels that the drying time can be shortened when drying the dryer. Conventionally, it has been considered that the improvement in the moisture retention of the hair is brought about by an increase in the absolute amount of moisture penetrating into the hair. However, in the nozzle of the present invention in which the effective valley point density of the nozzle is secured to 1.5 pieces / mm 2 or more, the bound water weight grasped by the above measurement rather than the absolute amount of moisture penetrating into the hair, that is, the hair It is apparent that there is a clear new effect that the amount of water penetrating to the deep part of the three-dimensional structure of the protein molecules constituting is increased.
(C) Gas Dissolution Efficiency From the results of Tables 1 to 6, it can be seen that the higher the effective valley point density Ne, the higher the carbon dioxide gas concentration and the dissolved oxygen concentration, and the better the gas dissolution capacity. In the case of nitrogen, it can be seen that the time until the dissolved oxygen concentration reaches 1 ppm is shorter as the nozzle having a larger effective valley point density Ne, and the deoxygenation ability by nitrogen substitution is improved.
1,51,71,171 液体処理ノズル
2 ノズル本体
O 中心軸線
3 液体流路
4 液体入口
5 液体出口
6 流入室
7 流出室
8 隔壁部
9 絞り孔
10 衝突部(ねじ部材)
CORE 処理コア部
11 山部
12 谷部
15 液体流通ギャップ
16 流入側接続部(ねじ部)
17 流出側接続部(ねじ部)
20 外接円
28 ガス導入孔
200,260,270,500,550,560 ガス溶解装置
1, 51, 71, 171 Liquid treatment nozzle 2 Nozzle body O Center axis 3 Liquid flow path 4 Liquid inlet 5 Liquid outlet 6 Inflow chamber 7 Outflow chamber 8 Partition portion 9 Restriction hole 10 Colliding portion (screw member)
CORE processing core part 11 mountain part 12 valley part 15 liquid distribution gap 16 inflow side connection part (screw part)
17 Outflow side connection (screw)
20 circumscribed circle 28 gas introduction hole 200,260,270,500,550,560 gas dissolving apparatus

Claims (18)

  1.  一端に液体入口を、他端に液体出口を有する液体流路が形成されたノズル本体と、
     前記液体流路の内面から各々突出するとともに外周面に周方向の山部と高流速部となる谷部とが複数交互に連なるように形成された衝突部を有する処理コア部とを備え、
     前記液体流路の中心軸線と直交する平面への投影において、前記処理コア部における前記液体流路の投影領域の外周縁内側の全面積をS1、前記衝突部の投影領域面積をS2として、前記処理コア部の全流通断面積Stを、
     St=S1−S2 (単位:mm
    として定義したとき、前記液体入口及び前記液体出口の断面積が前記全流通断面積Stよりも大きく設定されるとともに、
     前記衝突部の投影外形線に現れる前記谷部の深さhを0.2mm以上確保するとともに、前記谷部の最底位置を表す谷点のうち、前記中心軸線の投影点を中心として前記液体流路の内周縁までの距離の70%に相当する半径にて描いた基準円の内側に位置するものの数をN70(個)、前記基準円の外側に位置するものの数をNc70(個)とし、谷深さ補正係数αを
     h≧0.35mmのときα=1、
     h<0.35mmのとき、α=−60h+41h−6
     として定め、
     前記投影にて前記全流通断面積の領域のうち前記基準円の内側に位置する部分の面積をS70(単位:mm)として、70%断面比率σ70を、
     σ70=S70/St×100(%)
    として定め、有効谷点数Neを
     Ne=α・(0.38Nc70+(σ70/50)・N70
     として定義したとき、
     Ne/Stで表される有効谷点密度が1.5個/mm以上確保されてなることを特徴とする液体処理ノズル。
    A nozzle body in which a liquid channel having a liquid inlet at one end and a liquid outlet at the other end is formed;
    A processing core portion having a collision portion that protrudes from the inner surface of the liquid flow path and has a plurality of alternating crest portions and trough portions that become high flow velocity portions on the outer peripheral surface;
    In the projection onto the plane orthogonal to the central axis of the liquid channel, the entire area inside the outer peripheral edge of the projection region of the liquid channel in the processing core unit is S1, and the projection region area of the collision unit is S2. The total distribution cross section St of the processing core part is
    St = S1-S2 (unit: mm 2 )
    When defined as the cross-sectional area of the liquid inlet and the liquid outlet is set larger than the total flow cross-sectional area St,
    The depth h of the valley portion appearing in the projected outline of the collision portion is secured to 0.2 mm or more, and the liquid centering on the projection point of the central axis among the valley points representing the bottom position of the valley portion. N 70 (pieces) is located inside the reference circle drawn with a radius corresponding to 70% of the distance to the inner periphery of the flow path, and Nc 70 (pieces) is located outside the reference circle. ), And when the valley depth correction coefficient α is h ≧ 0.35 mm, α = 1.
    When h <0.35 mm, α = −60h 2 + 41h−6
    As
    70% cross-sectional ratio σ 70 , where S 70 (unit: mm 2 ) is the area of the portion located inside the reference circle in the total flow cross-sectional area in the projection.
    σ 70 = S 70 / St × 100 (%)
    As stated, the effective valley points Ne Ne = α · (0.38Nc 70 + (σ 70/50) · N 70)
    When defined as
    Liquid processing nozzle effective valley points density expressed by Ne / St is characterized by comprising reserved 1.5 / mm 2 or more.
  2.  前記処理コア部における前記液体流路の断面形状は内径Dが2mm以上7mm以下の円形であり、前記衝突部は前記谷部の深さが0.2mm以上0.4mm以下に設定され、前記全流通断面積Stが1.2mm以上35mm以下に設定されている請求項1記載の液体処理ノズル。 The cross-sectional shape of the liquid flow path in the processing core part is a circular shape having an inner diameter D of 2 mm or more and 7 mm or less, and the collision part is set such that the depth of the valley part is 0.2 mm or more and 0.4 mm or less. The liquid processing nozzle according to claim 1, wherein the flow sectional area St is set to 1.2 mm 2 or more and 35 mm 2 or less.
  3.  前記衝突部は外径Mが1.0mm以上2.0mm以下のJIS並目ピッチによるねじ部材である請求項2記載の液体処理ノズル。 3. The liquid processing nozzle according to claim 2, wherein the collision part is a screw member having a JIS coarse pitch with an outer diameter M of 1.0 mm or more and 2.0 mm or less.
  4.  前記衝突部が前記流路断面内にて直径方向に横切るように配置され、前記液体流路の内径Dが2mm以上4.5mm以下に設定され、前記全流通断面積Stが1.2mm以上10mm以下に設定されている請求項3記載の液体処理ノズル。 The collision portion is arranged so as to cross the diameter direction in the cross section of the flow path, the inner diameter D of the liquid flow path is set to 2 mm to 4.5 mm, and the total flow cross section St is 1.2 mm 2 or more. The liquid processing nozzle according to claim 3, which is set to 10 mm 2 or less.
  5.  前記衝突部は前記投影において前記中心軸線を取り囲む十字形態に4つ配置され、前記液体流路の内径Dが2.5mm以上7mm以下に設定され、前記全流通断面積Stが2.5mm以上35mm以下に設定されている請求項3記載の液体処理ノズル。 Four collision parts are arranged in a cross shape surrounding the central axis in the projection, the inner diameter D of the liquid flow path is set to 2.5 mm or more and 7 mm or less, and the total flow sectional area St is 2.5 mm 2 or more. The liquid processing nozzle according to claim 3, which is set to 35 mm 2 or less.
  6.  4つの前記衝突部が形成する十字の中心位置に液体流通ギャップが形成され、前記70%断面比率σ70が40%以上確保されている請求項5記載の液体処理ノズル。 The liquid processing nozzle according to claim 5, wherein a liquid circulation gap is formed at a center position of a cross formed by the four collision portions, and the 70% cross-sectional ratio σ 70 is secured by 40% or more.
  7.  前記ノズル本体には、該ノズル本体の外周面に開口し、複数の前記衝突部の少なくとも一つのものよりも上流にて前記処理コア部に連通するガス導入孔が形成されている請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。 2. The gas injection hole that opens on the outer peripheral surface of the nozzle main body and communicates with the processing core portion upstream of at least one of the plurality of collision portions is formed in the nozzle main body. The liquid processing nozzle according to claim 6.
  8.  前記液体流路を液体入口側の流入室と液体出口側の流出室とに区画する隔壁部と、前記隔壁部に貫通形成され前記流入室と前記流出室とを互いに別経路にて連通させる複数の絞り孔とを備え、前記処理コア部は、前記絞り孔の内面から各々突出する形で前記衝突部が形成されている請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。 A partition that partitions the liquid channel into an inflow chamber on the liquid inlet side and an outflow chamber on the liquid outlet side, and a plurality of passages that are formed through the partition and communicate with the inflow chamber and the outflow chamber through different paths. The liquid processing nozzle according to claim 1, wherein the collision portion is formed so as to protrude from an inner surface of the throttle hole. .
  9.  前記絞り孔は、それら絞り孔の軸断面積の合計と等価な円の直径をde、前記絞り孔の長さをLとして、L/deにて定義される絞り孔アスペクト比が3.5以下に設定されてなり、かつ、前記ノズル本体の前記軸線と直交する平面への投影において、前記隔壁部の投影領域の中心位置に定められた基準点から複数の前記絞り孔の内周縁までの距離Tが該絞り孔の内径dよりも小さくなる程度に近接配置されてなる請求項8記載の液体処理ノズル。 The throttle hole has a throttle hole aspect ratio defined by L / de of 3.5 or less, where de is the diameter of a circle equivalent to the sum of the axial cross-sectional areas of the throttle holes, and L is the length of the throttle hole. In the projection onto the plane perpendicular to the axis of the nozzle body, the distance from the reference point determined at the center position of the projection area of the partition wall to the inner peripheral edges of the plurality of aperture holes The liquid processing nozzle according to claim 8, wherein the liquid processing nozzles are arranged close to each other so that T is smaller than an inner diameter d of the throttle hole.
  10.  請求項1ないし請求項9いずれか1項に記載の液体処理ノズルの前記液体入口に液体を供給し、該液体を前記衝突部に接触させて前記液体出口から流出させることを特徴とする液体処理方法。 10. A liquid treatment comprising: supplying a liquid to the liquid inlet of the liquid treatment nozzle according to claim 1; and bringing the liquid into contact with the impinging portion and flowing out from the liquid outlet. Method.
  11.  前記液体が気体を溶存させた水であり、前記液体出口から溶存した前記気体に由来する微細気泡を含有した微細気泡含有水として流出させる請求項10記載の液体処理方法。 The liquid processing method according to claim 10, wherein the liquid is water in which a gas is dissolved, and the liquid is discharged as fine bubble-containing water containing fine bubbles derived from the gas dissolved from the liquid outlet.
  12.  前記液体処理ノズルを、トイレの便器洗浄水供給配管の途上に設け、該配管内の洗浄水を前記液体処理ノズルにて前記微細気泡含有水としたのち前記便器に供給することにより、前記便器及び便器の汚水排管内を洗浄する請求項11記載の液体処理方法。 The liquid treatment nozzle is provided in the toilet toilet wash water supply pipe, and the wash water in the pipe is supplied to the toilet after the liquid treatment nozzle makes the fine bubble-containing water, The liquid processing method of Claim 11 which wash | cleans the inside of the waste water drain pipe of a toilet bowl.
  13.  請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の液体処理ノズルの前記衝突部に液体とガスとの混相流を供給して前記ガスを前記液体に溶解させた状態で前記液体出口から流出させることを特徴とするガス溶解方法。 10. The liquid processing nozzle according to claim 1, wherein a mixed phase flow of a liquid and a gas is supplied to the collision portion of the liquid processing nozzle so that the gas is dissolved in the liquid and flows out from the liquid outlet. A gas melting method characterized by comprising:
  14.  前記液体が水であり、前記ガスが炭酸ガスである請求項13記載のガス溶解方法。 The gas dissolving method according to claim 13, wherein the liquid is water and the gas is carbon dioxide.
  15.  前記液体が水であり、前記ガスが窒素である請求項13記載のガス溶解方法。 The gas dissolving method according to claim 13, wherein the liquid is water and the gas is nitrogen.
  16.  前記液体が水であり、前記ガスが酸素である請求項13記載のガス溶解方法。 The gas dissolving method according to claim 13, wherein the liquid is water and the gas is oxygen.
  17.  請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の液体処理ノズルと、前記液体処理ノズルの前記前記衝突部に液体とガスとの混相流を供給する混相流供給手段と、を備え、前記ガスを前記液体に溶解させた状態で前記液体出口から流出させるようにしたことを特徴とするガス溶解装置。 A liquid processing nozzle according to any one of claims 1 to 9, and a multiphase flow supply means for supplying a multiphase flow of a liquid and a gas to the collision portion of the liquid processing nozzle, A gas dissolving apparatus characterized in that a gas is dissolved from the liquid and flows out from the liquid outlet.
  18.  前記混相流供給手段は水と炭酸ガスの混相流を供給するものであり、
     前記液体処理ノズルから送出される前記炭酸ガスが溶解した前記水に対し、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を定量供給する次亜塩素酸ナトリウム水溶液供給部をさらに備える請求項17記載のガス溶解装置。
    The multiphase flow supply means supplies a multiphase flow of water and carbon dioxide gas,
    18. The gas dissolving device according to claim 17, further comprising a sodium hypochlorite aqueous solution supply unit that quantitatively supplies a sodium hypochlorite aqueous solution to the water in which the carbon dioxide gas delivered from the liquid processing nozzle is dissolved.
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